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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum durch ein elektrisches Feld
unterstützten
Austauschen von Ionen in einem Glassubstrat gemäß den Merkmalen des Anspruchs
1.
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In
klassischen Verfahren werden Ionen in Glassubstraten durch Diffusion
ausgetauscht. In diesen Verfahren wird üblicherweise ein Glas, welches Alkaliionen
enthält,
in eine Salzschmelze oder die Lösung
eines Salzes, welches beispielsweise Silberionen enthält, getaucht.
Zwischen dem Glas und der Salzschmelze beziehungsweise der Lösung findet eine
Inter-Diffusion zwischen Alkaliionen und beispielsweise den Silberionen
statt, so dass im Glas die Alkaliionen durch die Silberionen ersetzt
werden. Durch diesen Ionenaustausch bleibt die Struktur des Glases
im Wesentlichen unverändert,
und lediglich die optischen Eigenschaften des Glases, insbesondere
der Brechungsindex werden modifiziert.
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Durch
das oben beschriebene Verfahren werden die Ionen in der äußeren Glasschicht
typischerweise in einem Bereich bis zu 100 μm Tiefe ausgetauscht.
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Zum
Herstellen optischer Elemente können durch
Ionenaustausch in vorbestimmten Bereichen Strukturen geschaffen
werden. Dies geschieht üblicherweise
durch Aufbringen einer Maske auf das Glassubstrat mit nachfolgendem
Ionenaustausch und anschließender
Entfernung der Maske. Üblicherweise
besteht die Maske aus Metallen, zum Beispiel Titan oder Aluminium
und wird durch herkömmliche Verfahren,
wie insbesondere Lithographie-Verfahren oder Ätzmethoden hergestellt. Die
Salzschmelze beziehungsweise die Ionen enthaltende Lösung steht lediglich
in Kontakt mit den unmaskierten Bereichen der Oberfläche des
Glassubstrats. Nur in diesen Bereichen werden daher Ionen ausgetauscht.
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Von
Nachteil bei diesem Verfahren ist es, dass durch thermische Diffusion
nur bestimmte Tiefen der Bereiche, in den die Ionen ausgetauscht
werden, möglich
sind. Das bedeutet, dass das Aspektverhältnis, das heißt das Verhältnis von
Tiefe zu Breite der Bereiche, in denen die Ionen ausgetauscht sind,
limitiert ist. Zum anderen ist die Temperatur, bei der das Verfahren
durchgeführt
werden kann, durch die Glasübergangstemperatur
Tg des Glassubstrats limitiert.
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Der
Interdiffusionskoeffizient jedoch nimmt mit steigender Temperatur
zu, so dass mit steigender Temperatur mehr Ionen zwischen dem Glas
und der Schmelze beziehungsweise Lösung ausgetauscht werden.
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Um
trotz der Temperaturlimitierung den Ionenaustausch unabhängig vom
Interdiffusionskoeffizienten steigern zu können, kann ein elektrisches Feld
an das Glassubstrat angelegt werden. Üblicherweise wird eine Seite
des Glassubstrats mit der Anode, die gegenüberliegende Seite mit der Kathode
in Kontakt gebracht. Alkaliionen aus dem Innern des Glassubstrats
bewegen sich unter dem Einfluss des elektrischen Feldes auf die
Kathode zu. Von der Anode aus treten Silberionen aus der Salzschmelze
beziehungsweise der Lösung
in das Glassubstrat ein und besetzen die durch Wanderung der Alkaliionen frei
gewordenen Plätze
in der Struktur des Glases.
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Durch
die Überlagerung
eines solchen feldunterstützten
Ionenaustauschs zur immer vorhandenen thermischen Diffusion können Strukturen
mit größeren Tiefen
gegenüber
den Verfahren mit reiner thermischer Diffusion erzielt werden. Das
Aspektverhältnis
steigt vorteilhafterweise an. Zudem können mit Hilfe des feldunterstützten Ionenaustauschs
auch solche Gläser
behandelt werden, die durch die thermische Diffusion allein einem
Ionenaustausch nicht zugänglich
sind.
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Durch
das Eintauchen des Glassubstrats in die Salzschmelze beziehungsweise
die Salzlösung entstehen
jedoch gravierende Nachteile. Insbesondere das Herstellen präzise strukturierter
Bereiche, in denen die Ionen im Glassubstrat ausgetauscht sind, gestalten
sich in der Praxis schwierig, da die Maskierungsschicht empfindlich
auf den chemischen Angriff des Salzes reagiert. Zudem ist teilweise
der Interdiffusionskoeffizient für
einen Ionenaustausch in praxisrelevantem Umfang zu niedrig.
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Bei
der Anwendung eines feldunterstützten Ionenaustausches
ist im Salzbad die Spannung üblicherweise
auf Werte deutlich unterhalb von 1 kV begrenzt, da bei größeren Spannungen
die Isolierung in der Luft/Dampfatmosphäre über dem Salzbad nicht sichergestellt
werden kann. Um Ionen in Gläsern austauschen
zu können,
deren Ionen mit denen in der Salzschmelze beziehungsweise der Salzlösung einen
niedrigen Interdiffusionskoeffizienten haben, und um die Prozesszeit
und die Prozesstemperatur reduzieren zu können, sind jedoch deutlich
höhere Spannungen,
das heißt
hohe elektrische Felder notwendig.
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Deutlich
höhere
Spannungen als 1 kV können
an das Glassubstrat angelegt werden, wenn als Ionenquelle kein Salzbad,
sondern ein Metallfilm verwendet wird. Die problematische Isolierung
der Luft/Dampfatmosphäre über dem
Salzbad stellt bei einem festen Film als Ionenquelle keine Schwierigkeit
mehr dar. Während
jedoch das Salzbad bei praxisrelevanten Abmessungen eine bei üblichen
Prozesszeiten unerschöpfliche
Quelle für
die austauschenden Ionen ist, ist bei bekannten Verfahren zum feldunterstützten Ionenaustausch
mit einem Metallfilm als Ionenquelle diese Quelle durch die anfangs aufgebrachte
Schichtdicke begrenzt.
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Ein
solches bekanntes Verfahren wird beispielsweise von Chuang und Lee
in ihrem Beitrag "A dry
silver electromigration process to fabricate optical waveguides
an glass substrates" in
den Proceedings, 50th electronic components
and technology conference, S. 1511–1514 (2000) vorgestellt. In
diesem Verfahren wird das Glassubstrat gereinigt, bevor durch Elektronenstrahlverdampfung
ein Silberfilm auf das Substrat im Vakuum aufgebracht wird.
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Das
Substrat wird daraufhin erwärmt.
Sobald eine konstante Temperatur erreicht ist, wird eine Spannung
an das Substrat angelegt, um den Ionenaustauschprozess in Gang zu
setzen.
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Forrest,
Pagano und Viehmann beschreiben in "Channel waveguides in glass via silver-sodium field-assisted
ion exchange", Journal
of lightwave technology, Vol. LT-4, Nr. 2, S. 140–150, (1986),
ein Verfahren, bei welchem zunächst
eine Maske durch Fotolithographie auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht
wird. Die Maske bildet die Anode, während auf der gegenüberliegenden
Seite des Substrats eine Kathode aufgebracht wird. Auf die maskierte
Seite des Glassubstrats wird in einer Vakuumkammer eine Silberschicht
aufgedampft. An das beheizte Substrat wird ein elektrisches Feld
zwischen Anode und Kathode angelegt. Die Erwärmung des Substrats und das
angelegte elektrische Feld unterstützen dann das Eindringen von
Silberionen in das Substrat, wobei die Prozeßzeit zum Herstellen strukturierter Bereiche
mit 17 Stunden angegeben wird. Um eine Verarmung der Silberquelle,
insbesondere bei hohen Temperaturen und elektrischen Feldern zu
vermeiden, ist nach diesem Verfahren eine Mindestdicke des Silberfilms
erforderlich, da diese den Vorrat der Quelle bestimmt.
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Statt
der Elektrode kann auch der Silberfilm selbst strukturiert werden.
Ein derartiges Verfahren beschreiben Wilson, Cheng, Garmice und
Findakly in ihrem Beitrag "Low-loss
optical waveguide formation by field-assisted solid-state diffusion
of metals in glass" Proc.
SPIE-Int. Soc. Opt. Eng., Vol. 269 (Integr. Opt.), S. 60–62 (1981).
Bei diesem Verfahren wird die Oberfläche des Glassubstrats mit einer
Silberschicht versehen, auf die ein Fotolack aufgebracht wird. Der
Fotolack wird über
einen Laserstrahl dort belichtet, wo eine Silberstruktur auf dem
Glassubstrat verbleiben soll. Nach der Entwicklung wird das Silber
unter der unbelichteten Fotolackschicht durch Ätzen entfernt. Nach dieser
Fertigung der Silberstruktur werden Goldelektroden auf beiden Seiten
des Glassubstrats aufgebracht. Während
die Probe auf Temperaturen zwischen 300°C und 500°C geheizt wird, wird an das
Glassubstrat ein elektrisches Feld angelegt, so dass durch Diffusion
ein Ionenaustausch von Silberionen gegen Natriumionen im Glas stattfindet. Auch
gemäß diesem
Verfahren ist der Vorrat der Ionenquelle begrenzt.
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Im
Gegensatz zum oben beschriebenen Verfahren ist es auch möglich, die
Silberschicht auf die Maske, welches sich auf dem Glassubstrat befindet, aufzubringen.
Ein solches Verfahren wird von Tammela, Pohjonen, Honkanen und Tervonen
in ihrem Artikel "Fabrication
of large multimode glass waveguides by dry silver ion exchange in
vacuum" Proceedings
of SPIE Vol. 1583, S. 37–42
(1991) beschrieben. Nachdem eine Maske durch Aufbringen eines Metallfilms
und lithographisches Strukturieren dieses Films hergestellt wird,
wird auf der gegenüberliegenden
Seite des Glases ein Silberfilm als Kathode aufgebracht.
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Auf
die maskierte Seite des Glassubstrats wird ein Silberfilm als Anode
aufgedampft. Das Aufdampfen der Silberanode und der sich daran anschließende feldunterstützte Ionenaustausch
werden in derselben Vakuumkammer unter Beheizung des Substrats durchgeführt. Der
Fabrikationsprozess besteht aus mehreren aufeinander folgenden Schritten des
Verdampfens zum Aufbringen der Silberanode und des Ionenaustauschs.
Nach dem Aufbringen des Silberfilms wird über das Substrat eine Spannung
angelegt, um den Film durch die Öffnungen
der Maske in das Glas zu treiben. Die Spannung hat dabei Werte zwischen
50 und 200 Volt.
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Bei
den beschriebenen Verfahren gemäß dem Stand
der Technik ist der Vorrat an Ionen, welche für den Ionenaustausch zur Verfügung stehen, durch
die Menge an zuvor aufgebrachtem Silber begrenzt. Dadurch ist insbesondere
das Aspektverhältnis
der zu fertigenden Strukturen limitiert, was einen gravierenden
Nachteil insbesondere für
optische Bauteile bedeutet.
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, für ein Verfahren zum feldunterstützten Ionenaustausch
aus einem Metallfilm eine unerschöpfliche und variable Quelle
zur Verfügung
zu stellen. Des Weiteren ist es eine Aufgabe der Erfindung, zu den Parametern
der Temperatur und der Spannung einen weiteren Prozessparameter
zur Verfügung
zu stellen, um das Verfahren im Hinblick auf die erzeugten Strukturen
durch Variation eines weiteren Parameters in größerem Umfang anpassen zu können.
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Zudem
ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein einfaches Verfahren zur Verfügung zu
stellen, welches insbesondere die Möglichkeit bietet, die Prozesszeiten
zu senken.
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Es
ist demnach auch eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren
zum durch ein elektrisches Feld unterstützten Austauschen von Ionen
in einem Glassubstrat sowie ein optisches Bauteil und ein integriertes
optisches Bauteil, welche mit dem verbesserten Verfahren hergestellt
werden können, zur
Verfügung
zu stellen.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Glasmaterial zur Verfügung zu
stellen, welches nicht nur an seiner Oberfläche Bereiche mit ausgetauschten
Ionen aufweisen kann.
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Gelöst wird
diese Aufgabe auf überraschend einfache
Weise bereits durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Die
erfindungsgemäße Lösung stellt
damit erstmals ein Verfahren zum durch ein elektrisches Feld unterstützten Austauschen
von Ionen in einem Glassubstrat zur Verfügung, wobei als Quelle für die Ionen
zumindest ein auf dem Glassubstrat aufgebrachter fester Film aus
zumindest einem ionisierbaren Material zur Verfügung gestellt wird, welcher auch
während
des Ionenaustauschs fortlaufend aufgebracht wird.
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Durch
das fortlaufende Aufdampfen des festen Films als Quelle für die Ionen
während
des Ionenaustauschs wird mit der Bedampfungsrate ein weiterer Parameter
zusätzlich
zu Temperatur und Spannung zur Verfügung gestellt. Die Bedampfungsrate beeinflusst
die Konzentration an Ionen an der Oberfläche des Glassubstrats und damit
den Konzentrationsgradienten als treibendes Gefälle für die Diffusion der Ionen.
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Zudem
wird es durch das erfindungsgemäße Verfahren
erstmals möglich,
eine unerschöpfliche und
variable Quelle in Gestalt eines festen Films aus dem ionisierbaren
Material zur Verfügung
zu stellen. Damit kann mit der Erfindung der Nachteil einer Verarmung
der Quelle während
des Ionenaustauschs überwunden
werden.
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Im
Vergleich zur Verwendung einer Salzschmelze oder Salzlösung als
unerschöpfliche
Quelle können
jedoch deutlich höhere
Feldstärken
angelegt werden, da die Gefahr von Kurzschlüssen deutlich verringert werden
kann, indem auf eine Quelle im flüssigen Aggregatzustand verzichtet
wird und daher eine Dampfphase vermieden wird.
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Durch
die unerschöpfliche
Quelle bietet das erfindungsgemäße Verfahren
die Möglichkeit,
Ionen bis hinein in große
Tiefen des Glassubstrats auszutauschen. Da der Film als Quelle für die Ionen
während
des Ionenaustauschs fortlaufend aufgebracht wird, bietet sich zudem
vorteilhafterweise die Möglichkeit,
das ionisierbare Material während
der Durchführung
des Prozesses zu verändern,
so dass sich die Eigenschaften der Bereiche mit ausgetauschten Ionen
in der Tiefe des Glassubstrats variabel gestalten lassen.
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Um
den Ionenaustausch im Wesentlichen in vorbestimmbaren Bereichen
des Glassubstrats durchzuführen
und auf diese Weise Strukturen im Glassubstrat ausbilden zu können, sieht
die Erfindung vor, dass auf zumindest einer Seite des Glassubstrats
eine Maske aufgebracht wird.
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Das
Aufbringen der Maske kann nach herkömmlichen Verfahren erfolgen,
zum Beispiel durch Aufbringen einer Metallschicht, insbesondere
aus Titan, Wolfram oder Aluminium, wobei in dieser Metallschicht
zum Beispiel durch lithographische Verfahren oder Ätzmethoden
eine Maskenstruktur gefertigt wird. Des Weiteren ist es möglich, durch
das Erzeugen von Gebieten auf der Substratoberfläche, welche eine Verarmung
an auszutauschenden Ionen aufweisen, gemäß dem in der Patentschrift
DE 690 10 249 T2 beschriebenen
Verfahren eine Maske durch Verarmungsgebiete herzustellen.
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Des
Weiteren ist es gemäß der Erfindung möglich, die
Maske auf der dem Film gegenüberliegenden
Seite des Glassubstrats anzubringen. In diesem Fall kann die Maske
gleichzeitig als Kathode benutzt werden, wobei der Film aus dem
zumindest einen ionisierbaren Material als Anode dient. Diese Vorgehensweise
bietet insbesondere Vorteile bei der Durchführung von kontinuierlichen
Ionenaustauschverfahren mit hohem Durchsatz, da die Kathode mit der
Maske für
die Behandlung mehrerer Glassubstrate beziehungsweise mehrerer Abschnitte
eines Glassubstrats wiederverwendet werden kann, während der
Film kontinuierlich aufgebracht wird.
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Wird
auf die Verwendung einer Maske bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
verzichtet, so kann das Verfahren auf einfache Weise für den flächenmäßigen Austausch
von Ionen im Glassubstrat angewendet werden. Diese Art der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
bietet insbesondere Vorteile in der Anwendung beim Herstellen von OLEDs
(Organic light emitting diodes).
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Um
durch das Austauschen von Ionen in vorbestimmbaren Bereichen des
Glassubstrats definierte Strukturen auf einfache und zuverlässige Weise herstellen
zu können,
sieht das erfindungsgemäße Verfahren
vorteilhafterweise vor, dass der Film auf einer Seite, insbesondere
auf die maskierte Seite des Glassubstrats aufgebracht wird. Das
ionisierbare Material des Films dringt dann in den unmaskierten
Bereichen der Maske unter Wirkung des elektrischen Feldes in das Glassubstrat
ein.
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Für das Aufbringen
des Films können
je nach Anforderungen an das Verfahren unterschiedliche Methoden
angewendet werden. So sieht die Erfindung zum einen vor, dass der
zumindest eine Film durch Aufdampfen aufgebracht wird. Zum andern
ist es aber auch möglich,
den zumindest einen Film durch Sputtern aufzubringen.
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Das
Aufbringen des Films wird im Wesentlichen unter Vakuumbedingungen
durchgeführt.
So kann auf einfache Weise aus einer definierten Quelle aus zumindest
einem ionisierbaren Material ein hochreiner Film hergestellt werden,
welcher aufgrund des hohen Konzentrationsgradienten einen effizienten
Austausch der in dem hochreinen Film in großer Konzentration vorliegenden
austauschenden Ionen mit den Partnerionen innerhalb des Glassubstrats
ermöglicht.
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Des
Weiteren sieht die Erfindung vor, dass zumindest eine Seite des
Glassubstrats, insbesondere die einem Film gegenüberliegende Seite, in Verbindung
mit einer Kontaktschicht gebracht. Die Kontaktschicht kann zum einen
direkt auf das Glas aufgebracht werden. Zum anderen kann das Glas
mit der Kontaktschicht lediglich in leitenden Kontakt gebracht werden,
indem das Glassubstrat zum Beispiel mit einer Metallplatte in Kontakt
gebracht wird.
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Somit
bietet die Erfindung die Möglichkeit, das
Verfahren durch die Wahl der Methode, mit welcher das Glassubstrat
in Verbindung mit der Kontaktschicht gebracht wird, an unterschiedliche
Anforderungen anzupassen. Soll das Verfahren kontinuierlich und
insbesondere mit hohen Durchsätzen
durchgeführt
werden, ist es vorteilhaft, zum Beispiel eine Platte lediglich in
leitenden Kontakt mit dem Glassubstrat zu bringen, da die Platte
nach der Durchführung des
Ionenaustauschs auf einfache Weise entfernt und für andere
Glassubstrate beziehungsweise andere Bereiche des Glassubstrats
wiederverwendet werden kann. Ist dies nicht erforderlich, oder sollen Gläser mit
derartigen Strukturen und Eigenschaften als Glassubstrate verwendet
werden, welche die Verwendung einer Platte als Kontaktschicht nicht
zulassen, kann auf einfache Weise die Kontaktschicht direkt auf
das Glas aufgebracht, beispielsweise aufgedampft oder aufgesputtert
werden.
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Des
Weiteren ist es von Vorteil, wenn die Kontaktschicht einerseits
gut elektrisch leitend ist und zum anderen gute wärmeübertragende
Eigenschaften hat, wie beispielsweise Kupfer. Eine derartige Kontaktschicht
kann insbesondere in Form eines Substrathalters im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens
verwendet werden.
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Um
auf einfache Weise einen durch ein elektrisches Feld unterstützten Ionenaustausch
zu realisieren, sieht die Erfindung vor, durch Anlegen einer Spannung
im Glassubstrat ein elektrisches Feld zu erzeugen. Durch das elektrische
Feld kann die treibende Kraft für
den Ionenaustausch durch Diffusion unabhängig vom Konzentrationsgradienten
der austauschenden Ionen gesteigert werden.
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Eine
weitere bevorzugte Möglichkeit
zur Nutzung des elektrischen Feldes im Glassubstrat besteht erfindungsgemäß darin,
die elektrische Feldverteilung im Glassubstrat so zu gestalten,
dass ein Eindringen von Ionen in bestimmte Bereiche des Substrats
vermieden wird. So können
auf besonders einfache Weise Strukturen mit im Wesentlichen scharf
definierten Begrenzungen gefertigt werden. Für die Verwendung der Strukturen
als optische oder mikrooptische Bauteile bieten derartige scharf
definierte Begrenzungen große
Vorteile, weil sie die gezielte Einstellung der optischen Eigenschaften
der Bauteile auf einfache Weise ermöglichen.
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Um
die angelegte Spannung als treibende Kraft für die Diffusion der Ionen aus
dem Film aus ionisierbarem Material und den Partnerionen im Glassubstrat
zu nutzen, wird die Spannung erfindungsgemäß zwischen der Kontaktschicht
und der Maske und/oder dem Film angelegt, so dass diese Spannung
die Diffusion von Ionen aus dem Film in das Glassubstrat unterstützt.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum durch ein elektrisches Feld unterstützten Austauschen von Ionen
können
im Glassubstrat durch den Ionenaustausch Bereiche mit unterschiedlichen
Ionenzusammensetzungen ci erzeugt werden,
welche sich insbesondere in ihren optischen Eigenschaften, insbesondere
im Brechungsindex unterscheiden. Durch Steuerung der Prozessparameter,
insbesondere der Bedampfungsrate, wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
dadurch beispielsweise die Fertigung von Wellenleitern oder von
geometrischen Strukturen mit einem spezifischen Beugungsverhalten
ermöglicht.
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Ein
wichtiger Prozessparameter für
die Steuerung der Diffusion der Ionen ist die Temperatur. Das erfindungsgemäße Verfahren
sieht daher vor, dass das Glassubstrat beheizbar ist. So kann dem
durch ein elektrisches Feld unterstützten Austauschen von Ionen
eine in ihrem Ausmaß gesteigerte
thermische Diffusion überlagert
werden.
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Für das Beheizen
des Substrats gibt es je nach Glasart unterschiedliche Möglichkeiten.
Für elektrisch
leitfähige
Glassorten kommt insbesondere auch eine induktive Erwärmung in
Frage. Auf besonders einfache Weise kann das Glassubstrat beheizt werden,
indem es in einen beheizbaren Substrathalter eingespannt wird. Eine
weitere Möglichkeit
ist durch die Erfindung darin gegeben, die Kontaktschicht zu beheizen.
Durch Wärmeleitung
wird dann die Wärme
vom Substrathalter beziehungsweise der Kontaktschicht auf das Glassubstrat übertragen.
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Um
die Bedampfungsrate als einen wichtigen Prozessparameter erfassen
zu können,
muss die Dicke d des Films bekannt sein. Die Erfindung sieht daher
vor, die Dicke d des Films zu messen. Insbesondere wird die Schichtdicke
des Films kontinuierlich erfasst. Je nach Glasarten und weiteren
Gegebenheiten im Einzelfall kann, falls dies erforderlich ist, zu
Beginn des Verfahrens eine Überwachung
der Dicke d des Films durchgeführt
werden, bis eine Mindestschichtdicke erreicht ist, und erst dann
die Spannung zur Erzeugung des elektrischen Feldes im Glassubstrat
aufgebracht werden.
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Mit
der Erfindung wird erstmals der große Vorteil realisiert, mit
der Aufdampfrate einen weiteren Prozessparameter zur Verfügung zu
stellen, mit welchem der Ionenaustausch beeinflusst werden kann. Um
unterschiedlichsten Anforderungen, welche insbesondere durch die
verwendete Glassorte des Glassubstrats vorgegeben sein können, gerecht
zu werden, bietet die Erfindung vorteilhafterweise die Möglichkeit,
dass der Ionenaustausch durch Einstellen und/oder Regeln und/oder
Steuern von zumindest einem der folgenden Parameter beeinflusst wird:
Druck in der Vakuumkammer p, Temperatur des Glassubstrats TF, Temperatur des Films TS,
Startschichtdicke des Films d0, Aufdampfrate
dd/dt, Ionenaustauschgeschwindigkeit dx/dt, Spannung U, Ionenstrom
I. Der Ionenstrom I ist dabei die unter Wirkung der Spannung U durch
das Glassubstrat infolge des Austausches der Ionen transportierte
Ladung pro Zeit.
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Neben
der Gestaltung der Maske bietet die Erfindung vorteilhafterweise
weitere Möglichkeiten zum
Herstellen von Strukturen aus Bereichen mit unterschiedlichen Ionenzusammensetzungen.
Die Bereiche unterschiedlicher Ionenzusammensetzungen können dabei
räumlich
Profile bilden, die je nach Verwendungszweck der Struktur scharf
definierte Begrenzungen oder eine Änderung der Ionenzusammensetzungen
in Form eines Gradienten aufweisen. Zum einen sieht die Erfindung
daher vor, die Spannung U und/oder die Aufdampfrate dd/dt zeitlich und/oder
lokal zu variieren. Zum anderen kann gemäß der Erfindung die Zusammensetzung
des ionisierbaren Materials zeitlich und/oder lokal variiert werden.
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Im
Hinblick auf das Herstellen von räumlichen Strukturen beziehungsweise
Profilen durch Bereiche mit unterschiedlichen Ionenzusammensetzungen
im Glassubstrat stellt die Erfindung erstmals die besonders einfache
Möglichkeit
zur Verfügung,
die Bereiche mit unterschiedlichen Ionenzusammensetzungen ci durch Ionenaustausch unter Variation der Zusammensetzung
des ionisierbaren Materials im Glassubstrat zu erzeugen, wobei die
Variation der Zusammensetzung des ionisierbaren Materials während des
Ionenaustauschprozesses erfolgt.
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Sollen
beispielsweise Ionen der Sorte 1 im Glassubstrat gegen Ionen der
Sorte 2 aus dem ionisierbaren Material ausgetauscht werden, kann
zunächst
ein Film, der Ionen der Sorte 2 bildet, auf das Glassubstrat aufgebracht
werden. Mit diesem Film als Ionenquelle wird dann ein von einem
elektrischen Feld unterstützter
Ionenaustausch nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt, bis
der dem Film benachbarte Bereich im Glassubstrat, in welchem die
Ionen der Sorte 1 durch die Ionen der Sorte 2 ausgetauscht wurden,
die gewünschten
Abmessungen erreicht hat.
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Sodann
kann die Zusammensetzung des ionisierbaren Materials dahingehend
geändert
werden, dass nun als Quelle für
die Ionen ein Film zur Verfügung
steht, welcher Ionen der Sorte 1 bildet. Durch Fortführen des
erfindungsgemäßen Verfahrens "wandert" der Bereich des
Glassubstrats, in dem die Ionen der Sorte 1 durch die Ionen der
Sorte 2 ausgetauscht wurden, dann in das Innere des Glassubstrats.
Die Erfindung stellt damit auch ein Verfahren zur Verfügung, mit
dem Strukturen in die Tiefe des Glassubstrats "vergraben" werden können.
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Damit
stellt die Erfindung auch erstmals ein Verfahren zur Verfügung, welches
das Fertigen beliebiger dreidimensionaler Strukturen in einem Glassubstrat
unter Verwendung eines Films als unerschöpfliche Ionenquelle ermöglicht.
Die Erfindung öffnet
damit einen weiten Anwendungsbereich zum Herstellen unterschiedlichster
optischer beziehungsweise mikrooptischer Bauteile.
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Für die Anwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
bieten sich Gläser
als Substrat an, welche insbesondere Alkalimetalle enthalten. Die
Erfindung sieht daher vor, dass das Glassubstrat Natrium und/oder
Kalium und/oder Lithium enthält.
Insbesondere können
als Glassubstrate sogenannte integrierte optische Gläser (IOG)
eingesetzt werden.
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Das
ionisierbare Material und/oder der Film enthält Silber und/oder Kalium und/oder
Lithium und/oder Rubidium und/oder Caesium. Damit bietet die Erfindung
die Möglichkeit,
im Glassubstrat enthaltenes Natrium gegen Silber auszutauschen.
Möglich ist
aber auch der Austausch des Natriums gegen Kalium oder Lithium,
auch Rubidium kann im ionisierbaren Material vorteilhafterweise
verwendet werden.
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Je
nach Ionenarten, welche im ionisierbaren Material zur Verfügung gestellt
werden, können
die optischen Eigenschaften der Bereiche, welche sich in ihrer Ionenzusammensetzung
aufgrund des Ionenaustauschs vom umgebenden Glassubstrat unterscheiden,
in unterschiedlichem Ausmaß gezielt
eingestellt werden.
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Um
die Diffusion der Ionen besonders effizient durch das elektrische
Feld unterstützen
und auf diese Weise das Verfahren in kürzeren Prozesszeiten durchführen zu
können,
sieht die Erfindung vor, dass die Spannung U im Bereich von größer 0 kV
bis 10 kV liegt. Als weitere Vorteile können mit diesen deutlich größeren Werten
als beim Austausch von Ionen mit einer Ionenquelle in flüssiger Form
Strukturen mit einem größeren Aspektverhältnis hergestellt werden.
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Die
Temperatur TS des Glassubstrats liegt im Bereich
von 100°C
bis 400°C.
Da der Interdiffusionskoeffizient mit steigender Temperatur zunimmt
und daher der Ionenaustausch mit steigender Temperatur in größerem Ausmaß abläuft, sollte
die Temperatur zum einen so hoch wie möglich sein. Aufgrund eines möglichen
Erweichens des Glassubstrats muss jedoch die Temperatur unterhalb
der Glasübergangstemperatur
des jeweils eingesetzten Glases liegen. Aus Gründen eines möglichst geringen
Energieeinsatzes ist es zudem wünschenswert,
möglichst
niedrige Temperaturen einsetzen zu können. Da mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
der Ionenaustausch durch Diffusion durch ein elektrisches Feld unterstützt wird,
kann vorteilhafterweise der genannte Bereich relativ niedriger Temperaturen
gewählt
werden, ohne Einbußen
in Qualität
und Prozesszeit hinnehmen zu müssen.
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Um
aus dem dem erfindungsgemäßen Verfahren
unterworfenen Glassubstrat ein fertiges Produkt zu erhalten, werden
die Maske und der Film und die Kontaktschicht vom Glassubstrat entfernt,
nachdem der Ionenaustausch abgeschlossen ist. Je nach Einbindung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
in einen mehrstufigen Produktionsprozess kann das Glassubstrat mit
den Ionen-ausgetauschten Bereichen dann gegebenenfalls in kleinere
Einheiten zerlegt oder anderweitig weiterverarbeitet werden.
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Wie
bereits angesprochen, ist eine Anwendung der Erfindung in weiten
Bereichen des Herstellens optischer Bauelemente möglich. Nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann daher auch ein optisches Bauteil hergestellt werden, welches
insbesondere ein diffraktives optisches Element und/oder eine Grin-Linse
ist. Weitere optische Bauteile, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt werden können,
sind integrierte optische Bauteile, insbesondere planare Wellenleiter
und/oder Splitter und/oder Combiner und/oder planare Verstärker und/oder
optische Chips und/oder arrayed waveguide gratings und/oder frequenzselektive
Elemente, insbesondere Mach-Zehnder-Interferometer.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird ein Glasmaterial hergestellt, bei welchem durch Ionenaustausch
aus einem festen Film als unerschöpflicher Ionenquelle hergestellte
Strukturen im Innern des Materials liegen. Das Glasmaterial hat
zumindest einen Bereich, welcher zumindest eine erste Zusammensetzung
von Ionen enthält,
und zumindest einen Bereich, welcher zumindest eine zweite Zusammensetzung
von Ionen enthält.
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Der
zumindest eine Bereich, welcher zumindest die zweite Zusammensetzung
von Ionen enthält, ist
im Innern des Glasmaterials angeordnet. Dieses Anordnen im Innern
des Glasmaterials ist mit der Erfindung deshalb erstmals mit einem
festen Film als unerschöpflicher
Ionenquelle möglich,
da durch das fortlaufende Aufbringen des Films aus ionisierbaren Material
während
des Ionenaustauschs ein Wechsel des Materials der Ionenquelle durchgeführt werden kann.
So kann zunächst
ein Film aus einem ionisierbaren Material, welches Ionen enthält, die
mit denen im Glas enthaltenen Ionen ausgetauscht werden, aufgebracht
werden.
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In
einem folgenden Schritt kann dann als Film ein ionisierbares Material,
welches die gleichen Ionen wie das Glassubstrat enthält, als
Film aufgebracht werden. Dadurch werden die durch den Ionenaustausch
erzeugten Strukturen in das Innere des Glassubstrats "gezogen".
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben. Dieselben Bauteile werden auf allen Zeichnungen
mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung der Behandlung eines Glassubstrats im Laufe
des erfindungsgemäßen Verfahren,
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2 eine
schematische Darstellung zur Durchführung des durch ein elektrisches
Feld unterstützten
Austauschen von Ionen in einem Glassubstrat gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
in einer dazu geeigneten Vorrichtung,
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3 eine
schematische Darstellung eines Ausschnitts aus einem Glassubstrat
während
des erfindungsgemäßen Austauschens
von Ionen,
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4 eine
schematische Darstellung eines Glasmaterials in Frontansicht sowie
Schnitt entlang der Schnittlinie SS.
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In 1 ist
oben als ein mögliches
Ausgangsprodukt für
das erfindungsgemäße Verfahren das
Glassubstrat 1 dargestellt.
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In
einem ersten Verfahrensschritt wird auf eine Seite des Glassubstrats 1 eine
Maske 3 aufgebracht. In einem Verfahrensschritt B wird
beispielsweise auf der der Maske 3 gegenüberliegenden
Seite des Glassubstrats 1 eine Kontaktschicht 4 aufgebracht.
Auf die Seite des Glassubstrats 1, welche die Maske 3 umfasst,
kann dann ein Film 2 aus einem ionisierbaren Material aufgebracht
werden.
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Unter
der Wirkung eines elektrischen Feldes, dessen Feldlinien in der
Zeichenebene senkrecht von der die Maske 3 tragenden Seite
des Glassubstrats 1, zu der die Kontaktschicht 4 tragenden
Seite des Glassubstrats 1 verlaufen, werden im Verlauf
des Verfahrens durch Austausch von Ionen, welche aus dem Film 2 gebildet
werden, gegen Partnerionen im Glassubstrat 1 Bereiche 11, 12 mit
unterschiedlichen Ionenzusammensetzungen ci erzeugt.
Während
des Verfahrensschritts C wird der Ionenaustausch durchgeführt, so
dass die Bereiche mit den ausgetauschten Ionen 12 sich
zunehmend in den Bereich 11, in dem ursprünglich keine
Ionen ausgetauscht waren, erstrecken.
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Durch
Entfernen des Films 2 der Maske 3 und der Kontaktschicht 4 wird
in Schritt D des erfindungsgemäßen Verfahrens
das Glassubstrat 1 mit den Bereichen unterschiedlicher
Ionenzusammensetzungen 11 und 12 freigelegt.
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In 2 ist
der Verfahrensschritt C aus 1 anhand
einer schematischen Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen feldunterstützten Ionenaustauschs
gezeigt. Das Glassubstrat 1 mit der Maskierungsschicht 3 und
der Kontaktschicht 4 wird an dem beheizbaren Substrathalter 41 gehalten.
Die Erfindung erlaubt den Verzicht auf die Kontaktschicht 4,
indem der Substrathalter 41 selbst als Kontaktschicht dient.
Auf die Seite des Glassubstrats 1, welche die Maske 3 umfasst, wird
ein Film 2 aufgebracht. Das ionisierbare Material 25 steht
für die
Dauer des Verfahrens in unlimitiertem Vorrat zur Verfügung. Die
Dicke d des aufgebrachten Films 2 aus dem ionisierbaren
Material 25 wird mit Hilfe einer Messeinrichtung 22 erfasst.
Die Messeinrichtung 22 für die Schichtdicke d kann insbesondere einen
Schwingquarz umfassen.
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Zwischen
der Kontaktschicht 4 und dem Film aus ionisierbarem Material 2 wird
eine Spannung U angelegt. Wird auf die Kontaktschicht 4 verzichtet, kann
der Substrathalter 41 als Kathode eingesetzt werden. Während der
Durchführung
des Verfahrens werden neben der Schichtdicke d, der Spannung U und
dem Ionenstrom I, welcher in der in 2 gezeigten
Vorrichtung mit Hilfe eines Amperemeters gemessen wird, der Druck
in der Vakuumkammer 50, die Temperatur des Glassubstrats
und/oder des Films sowie die Prozesszeit und gegebenenfalls weitere
Parameter erfasst.
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Aus
dem zeitlichen Verlauf der Schichtdicke d kann insbesondere die
Aufdampfrate dd/dt ermittelt werden. Mit fortschreitender Prozesszeit
werden unter der Wirkung der angelegten Spannung U Ionen im Glassubstrat 1 gegen
aus dem Film 2 erzeugte Ionen des ionisierbaren Materials 25 ausgetauscht.
Es bilden sich Bereiche 12 mit einer anderen Ionenzusammensetzung
als die Bereiche 11, in welchen kein Ionenaustausch stattgefunden
hat.
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Die
Bereiche 12 dringen mit zunehmender Prozesszeit weiter
in das Innere des Glassubstrats 1 vor. Während des
erfindungsgemäßen Verfahrens ändert sich
also die in der schematischen Darstellung in 3 eingezeichnete
Ausdehnung des Bereichs 12, in welchem die ursprünglich im
Glassubstrat 1 enthaltenen Ionen gegen solche aus dem Film 2 ausgetauscht
worden sind, von der dem Film 2 zugewandten Seite des Glassubstrats 1 in
das Innere des Glassubstrats 1 hinein. Die entsprechende
Abmessung wird im Rahmen dieser Anmeldung mit x bezeichnet. Die
Ionenaustauschgeschwindigkeit dx/dt kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
neben dem Einstellen der Spannung U auch durch das Einstellen der
Aufdampfrate dd/dt beeinflusst werden. Zudem kann die Ionenaustauschgeschwindigkeit durch
die Wahl einer optimalen Prozesstemperatur gesteigert werden. Um
eine geeignete Temperatur des Glassubstrats 1 einzustellen,
kann daher beispielsweise der Substrathalter 41 beheizbar
sein.
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Wird
bei dem oben beschriebenen Verfahren die Zusammensetzung des Films 2 aus
ionisierbarem Material 25 im Verlauf des Ionenaustauschprozesses
verändert,
so ändert
sich auch die Ionenzusammensetzung der Bereiche 12, in
denen die Ionen des Glassubstrats 1 gegen solche aus dem
Film 2 ausgetauscht werden. Wird die Zusammensetzung des
Films 2 während
des Ionenaustauschprozesses dahingehend geändert, dass der Film 2 solche
Ionen enthält,
welche ursprünglich
im Glassubstrat vorhanden sind, können die Bereiche 12 des
Glassubstrats 1 durch das allmähliche Ausbilden eines Bereiches zwischen
dem Bereich 12 und dem Film 2, der eine Zusammensetzung
hat, welche sich von der des Bereiches 12 unterscheidet,
in das Innere des Glassubstrats gezogen werden. Auf diese Weise
kann beispielsweise den in 3 schematisch
mit 12 bezeichneten Bereichen ein Gradient der optischen
Eigenschaften aufgeprägt
werden.
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In 4 ist
ein Sonderfall des Ergebnisses dieses Vorgehens dargestellt. Das
Glasmaterial 100 umfasst einen Bereich 120, welcher
nicht mit einer Oberfläche
des Glassubstrats 100 in Kontakt steht, sondern vielmehr
in seinem Inneren angeordnet ist. Der Bereich 120 kann
durch Austausch von Ionen in der oben beschriebenen Weise hergestellt
werden, wobei anschließend
an die Herstellung des Bereiches 120 durch Ändern der
Zusammensetzung des Filmes 2 ein Bereich 110 im
Glassubstrat erzeugt wird, welcher im Wesentlichen der ursprünglichen
Ionenzusammensetzung des Glassubstrats entspricht. In 4 ist
insbesondere in der Schnittzeichnung auf der rechten Seite SS lediglich
die einfachste Möglichkeit
der Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Herstellen eines solchen Glasmaterials mit im Inneren versenkten
Strukturen durch Ionenaustausch illustriert. Der Bereich 112 kann
erfindungsgemäß auf beliebige
Art und Weise im Innern eines Glassubstrats angeordnet sein, insbesondere
kann er aus mehreren Strukturen bestehen, welche miteinander in
Verbindung stehen, aber auch vereinzelt im Glassubstrat vorliegen
können.
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Das
Glasmaterial 100 umfasst zudem eine Kombination von Bereichen 120,
in denen die ursprünglich
im Glassubstrat vorhandenen Ionen gegen unterschiedliche Ionen aus
dem ionisierbaren Material 25 ausgetauscht wurden, so dass
die entstehenden Bereiche 120 sich nicht nur vom Glassubstrat sondern
auch untereinander in ihren Eigenschaften unterscheiden.