WO2010017979A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines strukturierten gegenstands sowie strukturierter gegenstand - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines strukturierten gegenstands sowie strukturierter gegenstand Download PDF

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sacrificial layer
structuring
base body
structures
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Ralf BIERTÜMPFEL
Volker Wittmer
Charles Bernheim
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Schott Ag
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for producing a structured article, in particular for structuring a non-planar surface of an article, and the structured article.
  • Such optical elements often also include micro-optical elements having Fresnel lens structures disposed on the surface of a transparent body.
  • Blankpreß Kunststoffe In the production of these elements in high quantities preferably embossing or pressing, in particular Blankpreßclar be used with high precision. Traditionally, plastics have been used for this, in particular polymers which were structurable at relatively moderate temperatures.
  • US 5,436,764 A further describes a method of press molding a micro-optical element made of glass. In this process, structures are introduced into the flat surface of a glass body during press-forming.
  • the invention is based on the object, a method and an apparatus for producing a structured To provide an object, in which the structuring of a non-planar surface of an object is made possible, so that, for example, optical systems, in particular for use at shorter wavelengths, such as blue light, is made possible.
  • an edge steepness of the Fresnel structures can be achieved by this method of greater than 70 ° relative to the main plane of the optical element. With many materials even flank steepnesses of up to almost 90 ° could be achieved relative to the main plane of the optical element, that is to say an almost compressive surface is produced.
  • Optical systems with the optical components produced according to the invention achieve, for example, values of the numerical aperture NA of greater than 0.6.
  • the invention comprises a method for producing a structured article, in particular for structuring a nonplanar surface of an article, comprising the provision of a basic body, in particular with at least one non-planar surface, the production of a structure, in particular on the at least one non-planar surface of the object, the structuring of a sacrificial layer, the transfer of the structure from the
  • Sacrificial layer on a surface wherein the surface is a surface of the base body, in particular a non-planar surface of the base body or a surface on at least one further body which is attachable to the base body during the transferring .der structure of the sacrificial layer on the surface, the thickness the sacrificial layer is at least reduced or changed and thereby the surface is structured.
  • the above method enables the transfer of the structure, in particular the transfer of the lateral structure and the transfer of a similar vertical structure.
  • the sacrificial layer is completely consumed.
  • the transfer of the structure can advantageously comprise dry etching, in particular reactive ion etching.
  • this may comprise wet-chemical etching, in particular directed etching along preferred crystalline directions, for the transfer of the structure.
  • the structured body may preferably be an embossing or pressing mold, in particular a blank-pressing mold for the production an optical element, in particular for the production of a glass or glass ceramic comprehensive optical element, which preferably has diffractive and / or refractive structures.
  • the base body can be structured at least in part by means of grinding, polishing or lapping on the surface and can in this case, for example, a basic shape with high surface precision with a (average, maximum) deviation of better than 2 microns compared to the desired shape arise.
  • the base body can be spherically, aspherically or freely formed at least in parts of the surface.
  • the main body may contain or consist of components of a material selected from the group consisting of ceramic materials and crystalline materials.
  • Tungsten carbides aluminum carbides, silicon carbides, titanium carbides, aluminum oxides, zirconium oxides, silicon nitrides,
  • Aluminum titanates and / or aluminum sintered materials and / or mixtures of these materials in particular as
  • the crystalline materials preferably comprise silicon or sapphire.
  • the base body is coated with an anti-adhesive layer.
  • the non-stick layer may comprise a platinum-gold alloy, in particular Pt5Au, and / or platinum, iridium and rhodium-containing alloys.
  • platinum-gold alloy in particular Pt5Au
  • platinum, iridium and rhodium-containing alloys platinum, iridium and rhodium-containing alloys.
  • carbon layers preferably DLC (diamond like carbon), are also suitable as an anti-adhesion layer.
  • the base body is structured and then applied the non-stick layer.
  • the non-stick layer can be applied and patterned, in particular also be structured using a, preferably additional sacrificial layer.
  • the sacrificial layer may advantageously comprise metals and / or metallic alloys, in particular nickel, nickel-boron, nickel-phosphorus-boron, or a nickel-phosphorus alloy.
  • the sacrificial layer is structured by means of a removal method, in particular by means of lithography, in particular X-ray lithography,
  • the sacrificial layer may also or alternatively comprise a dielectric; in particular a lacquer, preferably a photoresist, a polymerizable, in particular a photopolymerisable substance and / or a glass, or a ceramic produced with a sol-gel process, such as zirconium oxide.
  • the sacrificial layer can be structured by means of an application method, in particular by means of laser polymerization, printing, in particular three-dimensional printing, preferably with nanoparticulate constituents, in particular with nanoparticulate metal constituents,
  • Plastic components and / or ceramic components is structured.
  • a thick photoresist with a thickness in the range of up to 50 .mu.m can be applied in a structured manner and this can be finished with a precision of approximately contour error better than 2 .mu.m by means of single-grain diamond grinding in its thickness.
  • the removal rate of the sacrificial layer is advantageously greater than or equal to the removal rate of the sacrificial layer Base body or the other body, since in this case the structure of the structured body does not exceed the tolerances of the sacrificial layer. If the erosion rate of the sacrificial layer is for example ten times higher than the ablation rate of the main body, on average only one tenth of the structural depth of the sacrificial layer is transferred into the main body, but also the surface errors or deviations become only one tenth in the structured body to be available.
  • the erosion rate of the sacrificial layer is smaller than the ablation rate of the main body or the further body, deeper structures can be introduced into the main body and increased attention must be paid to the precision of the surface of the structured sacrificial layer.
  • the further body may comprise a film of polymeric material, in particular a material comprising polycarbonate, polyethylene and / or methyl methacrylate.
  • the structured body or in particular the structured optical component may comprise Fresnel structures, diffractive optical structures and / or refractive optical structures.
  • the structured body may preferably also comprise microfluidic structures.
  • the device according to the invention for producing a structured body preferably comprises a receptacle for holding the main body as well as at least one first and one second device for structuring a surface.
  • the first device for contouring or structuring comprises a grinding spindle, a polishing spindle, a lathe (Einkorndiamantmosmaschine), a milling machine (Einkorndiamantmosmmaschine) and / or a laser structuring device, in particular a
  • Laser ablation device with an ablating laser and / or with an exposing laser, which is particularly suitable for the exposure of photoresists or photopolymers.
  • the second device for structuring, in particular fine structuring advantageously comprises a lithographic, in particular photolithographic device for structuring, a galvanic device for structuring, a
  • Lathe (preferably a Einkorndiamant loftmaschine) for structuring, a milling machine (preferably a Einkorndiamantreosmaschine) for structuring and / or means for embossing.
  • the receptacle for holding the body is advantageously suitable, to hold the main body during processing by means of the first and by means of the second device for structuring, in particular without new receiving the main body and substantially without changing the positioning.
  • a non-planar optically effective contour is introduced into the main body or the further body in a first step, and at least two non-optically active regions simultaneously
  • These alignment marks can be designed in particular as mirror surfaces, even plan, convex or concave.
  • the position of the optically effective contour to the Justier vom or marks is clearly defined.
  • the position of the optically effective contour in the device can be accurately adjusted down to the nanometer range.
  • optical adjustment surface or alignment mark can also be arranged within the optically active surface and thus be helpful, for example in the centering and also additionally or alternatively in the axial adjustment of an optical system or enable it only with the necessary precision.
  • the adjustment surface is part of an optical system on the device or processing machine, so that a slight misalignment of a few nanometers already causes a detectable change in the optical performance of the system.
  • the optical system consists of one for each adjustment surface collimated laser, the reflective alignment surface and a detector unit.
  • the coated body can be re-introduced into the same or another processing device and precisely aligned by means of the alignment marks in order to introduce a fine structure into the sacrificial layer or anti-adhesion layer.
  • Figure 1 is a first, but only exemplary embodiment of a structuring
  • FIG 2 shows the first embodiment of an article with an inventively introduced structure in the at least partially nonplanar surface in a partial cross-sectional representation
  • FIG 3 the first shown in Figs. 1 and 2
  • FIG. 5 shows the first embodiment of an article illustrated in FIG. 4, in which the structure which was introduced into the sacrificial layer was transferred to the article 6 shows the first embodiment of a structured article illustrated in FIG. 5, in which a non-stick layer has been applied to at least part of the structure which has been transferred to the article, in a partial cross-sectional representation,
  • FIG. 7 shows the first embodiment of a structured article illustrated in FIG. 6, in which at least part of the non-stick layer has been structured, in a partial cross-sectional representation, FIG.
  • FIG. 8 shows an enlarged detail of the embodiment of a structured article illustrated in FIG. 7, in which at least part of the non-stick layer has been structured, in a partial cross-sectional representation, FIG.
  • Figure 9 shows a first embodiment of another Body, which is structurable according to the invention and attachable to a base body, in a cross-sectional view,
  • FIG. 10 shows the further body shown in FIG. 9, which has been structured according to the invention, in one
  • FIG. 11 shows an alternative embodiment of a further body, which can be structured according to the invention and can be attached to a base body and to which a sacrificial layer has been attached, in a cross-sectional representation
  • FIG. 12 shows the alternative shown in FIG.
  • Embodiment of the other body, on which the attached thereto sacrificial layer was structured in one
  • FIG. 13 shows the alternative shown in FIG.
  • FIG. 14 shows the first but only exemplary embodiment of an object to be structured shown in FIG. 1 with an at least partially nonplanar surface to which the structured further body has been attached, a partial cross-sectional representation.
  • a surface which is not planar comprises diffractive and / or refractive structures and / or, preferably rotationally symmetric or cylindrically symmetrical free forms and at least also all surfaces and shapes mentioned in DE 10 2004 38 727 A1.
  • this surface may also be formed stepwise.
  • the transferring of a structure, in particular of a sacrificial layer, which is arranged on a body into the body essentially comprises the transfer of the lateral structure as well as the transfer of a similar vertical structure.
  • the structure to be transferred can be embodied in the form of stages which digitally represent only an existing stage or a non-existing stage, such as the zero or the one in the binary numerical range.
  • stages which digitally represent only an existing stage or a non-existing stage, such as the zero or the one in the binary numerical range.
  • binary structures with different step heights, for example with two three or more than three step heights, in order, for example, to approximate sections of analog structures, such as Fresnel structures.
  • the structures to be transferred can also have analogous, this means continuously changing thickness or depth with the location, which also have sections, jumps, as is the case, inter alia, in the case of analog Fresnel lenses.
  • the structure to be transferred may also be a special surface texture. These may be moth-eye structures or surfaces with uniform, precisely defined roughness.
  • the expression that a structure is similar means that the structure in the surface is substantially the same as the deviations introduced by the transmission, the same lateral ones
  • a depth similar to the thickness therefore means, in the sense of this description and the claims, that the surface shape of the sacrificial layer is locally transferred to the underlying surface to be structured, but not necessarily transferred to its depth in a contour-consistent manner; the term "similar" means in this Context that the patterned surface will be deeper locally where the sacrificial layer was less thick or where the sacrificial layer was deeper, this may be a depth proportional to the depth of depression in the sacrificial layer if no saturation effects occur; however, this may also include a non-linear dependence on the local depth or of the local thickness of the sacrificial layer in the case of saturation or other effects.
  • Deviations introduced by the transmission essentially comprise lateral effects which are brought about by shadows, undercuts or undesirable scattering of light at masks or sacrificial layer boundaries.
  • FIG. 1 shows a first, but only exemplary embodiment of an object 1 to be structured with a non-planar, at least partially planar, in this embodiment, convex surface 2 in a partial cross-sectional representation.
  • the main body has at its surface to be structured 2 a partially planar portion 3 and a non-planar convex portion 4.
  • both the planar region 3 and the non-planar convex region 4 as well as both or only one of the regions 3, 4 can be structured.
  • the main body 1 can assume essentially any shape, which are designed according to the respective application.
  • the base body at least in parts of the surface and convex and can be shaped in particular spherical, aspherical or free.
  • the body structured by the method according to the invention can be a stamping or pressing mold with high surface accuracy.
  • the structured body is a stamping or pressing mold, in particular a blank mold for producing an optical element, in particular for producing an optical element comprising glass or glass ceramic, which preferably has diffractive and / or refractive structures.
  • a surface can be patterned using the method according to the invention, or several surfaces can also be given their structure by this method.
  • the structured optical component may comprise Fresnel structures, diffractive optical structures and / or refractive optical structures.
  • the structured article or body may also comprise microfluidic structures, for example comprise channel systems formed in the surface, which are well-known to those skilled in the field of microfluidics and consequently need not be shown in the drawings.
  • the base body consists of a crystalline or ceramic material or contains components of such a material.
  • the ceramic materials may include tungsten carbides, aluminum carbides, silicon carbides, titanium carbides, aluminum oxides, zirconium oxides, silicon nitrides, aluminum titanates and / or aluminum sintered materials and / or mixtures of these materials, in particular as sintered materials and in particular as powder metallurgy materials
  • the crystalline materials may preferably comprise silicon or sapphire.
  • Surface 2 are processed so that it receives the plan area 3 and the non-planar area 4.
  • its surface 2 if it consists for example of glass or a glass ceramic or comprises such material, can also be formed by embossing or pressing, in particular also precision pressing.
  • the highest height of the bulge of the bulge indicated by x in the first surface treatment process in the figures unplaned area is typically 10 times larger than the subsequently introduced feature sizes, such as the depth of a step formed, for example, in a second surface finish operation.
  • FIG. 2 shows the first embodiment of the article 1 shown in FIG. 1 with the structure introduced according to the invention in the at least partially nonplanar surface in a partial cross-sectional representation.
  • the structuring of a sacrificial layer 5 is used for this purpose, which can be and is preferably structured more easily and / or precisely than the main body 1 itself Subsequently, the structure of the sacrificial layer on a surface 2 of the body 1 made.
  • the surface 2 is a surface of the main body 1, in particular the non-planar surface in the area 4 of the main body 1.
  • a sacrificial layer 5 is first applied to at least the region of the surface 4 to be subsequently structured, which can be carried out in different ways, depending on the material of the sacrificial layer.
  • the sacrificial layer shown in FIG. 3, as mentioned above, can first be applied over the whole area and subsequently structured, or a structured application of the sacrificial layer 5 can take place.
  • more than one sacrificial layer can be applied in order to achieve, for example, the required thicknesses of the sacrificial layer 5, and for this purpose also all application methods described above and below can be combined with one another.
  • Alloys in particular nickel, nickel-boron, nickel-phosphorus-boron, or comprises a nickel-phosphorus alloy, have full-surface application of the sacrificial layer with their subsequent structuring proven.
  • the sacrificial layer is structured by means of a removal method, in particular by means of lithography, in particular X-ray lithography, laser ablation and / or single-grain diamond machining, in particular single-grain diamond turning is structured.
  • Metals can often be structured much more precisely and simply than, for example, glasses or ceramics, and in this case the preclistration of the sacrificial layer can in this case structurally transfer the precision that is possible here to the base body 1.
  • the sacrificial layer comprises a dielectric, in particular a lacquer, preferably a photoresist, which can then be patterned by means of lithographic or for highest precision by means of mechanical processes, such as single-grain diamond turning.
  • the sacrificial layer comprises a polymerizable, in particular a photopolymerizable substance and can be structured by means of an application method, in particular by means of laser polymerization, printing, preferably by means of three-dimensional printing.
  • a sacrificial layer can also consist of PMMA. This can be sprayed or applied in the oven by heating and previous pouring.
  • this contains in a further embodiment nanoparticulate constituents, in particular nanoparticulate metal constituents, plastic constituents and / or ceramic constituents.
  • nanoparticulate constituents in particular nanoparticulate metal constituents, plastic constituents and / or ceramic constituents.
  • material properties it is also possible to use mixtures with the corresponding required ratios of the various constituents.
  • the sacrificial layer can also comprise a glass or a ceramic, in particular a glass or ceramic produced by a sol-gel process, such as, for example, zirconium oxide.
  • This dielectric can be patterned after its application by means of laser ablation with high precision.
  • sacrificial layer 5 as shown in Figure 3 was applied over the entire surface and structured or applied structured resulted in an arrangement as shown in Fig. 4 in which structures of the victim sight were formed, which have a defined depending depth or thickness depending on the location.
  • the structure is transferred from the sacrificial layer 5 to the base body 1 and this is structured in its surface 2.
  • Transferring the structure involves transferring the lateral structure as well as transferring a similar vertical structure.
  • the transfer of the structure is in a first embodiment by dry etching, in particular by made reactive ion etching and thereby let the ion beam preferably directed substantially perpendicular to the surface 2 impinge on the victim's view 5.
  • the direction of the normal to the planar region 3 should correspond substantially perpendicular to the surface 2.
  • the structure is transferred by wet-chemical etching, in particular by directional etching along preferred crystalline directions of a crystalline base body 1.
  • the thickness of the sacrificial layer is at least reduced or changed, and the surface 2 of the main body 5 is thereby structured.
  • the sacrificial layer can be completely used up or even used up to a certain degree and its remaining components can be used to shape the surface 2.
  • a surface is structured on at least one further body, which can be attached to the base body 1 and which initially does not have to be attached thereto.
  • FIG. 9 shows a cross-sectional illustration of a first embodiment of a further body, which is structurable according to the invention and can be attached to a base body.
  • This further body may be a film of polymeric material which comprises in particular polycarbonate, polyethylene and / or methyl methacrylate or mixtures thereof.
  • high precision texturing techniques such as lithographic techniques
  • lithographic techniques can be used without inaccuracies due to lack of depth of field, as would be the case with non-planar objects, and subsequently the further body may be attached to the surface 2 of the article 1
  • the precision of a substantially two-dimensional shaping on three-dimensional, thus non-planar objects is transferable.
  • Sacrificial view 8 are made, which can be applied as described above, resulting in the arrangement shown in Fig. 11.
  • the sacrificial layer is then applied structured or structured, the arrangement shown in FIG. 12 results.
  • the structured further body 7 shown in FIG. 13 is obtained, which can be subsequently attached to the surface 2, as shown for the state after its attachment in FIG ,
  • the further body 7 can subsequently be used as a structuring element on the object 1 on its surface 2 or again as a sacrificial layer for the article 1 for structuring its surface 2.
  • this surface 2 is optionally coated with an anti-adhesion layer, which is helpful for stamping or pressing, in particular for precision press molding, for demoulding after the embossing or pressing process has been carried out.
  • the non-stick layer comprises a platinum-gold alloy, in particular Pt5Au, and / or platinum, iridium and rhodium-containing alloys, and further materials such as these are also described, for example, in the incorporated DE 10 2004 38 727 A1.
  • the non-stick layer 9 can first be applied and then subsequently structured.
  • This structuring leads to a layer structure, as shown in FIGS. 7 and 8.
  • FIG. 7 shows the embodiment of a structured article in which at least part of the non-stick layer has been structured, in a partial cross-sectional view
  • FIG. 8 shows an enlarged detail of the embodiment shown in FIG.
  • the structuring of the non-stick layer is patterned in particular using a sacrificial layer.
  • the invention is not limited to an anti-adhesion layer 9 but one or more layers can be applied to the article 1 and patterned and in this way thicker layers or deeper structures are produced.
  • the invention is not limited to the implementation of certain devices or machines, but it may be advantageous to achieve particularly high precision, if this is a particularly suitable device is used, which includes a receptacle for holding the body and at least a first and a second means for Structuring of a surface, in particular of the base body 1 comprises.
  • a particularly suitable device which includes a receptacle for holding the body and at least a first and a second means for Structuring of a surface, in particular of the base body 1 comprises.
  • the first contouring or structuring device may comprise a grinding spindle, a polishing spindle, a lathe and / or a
  • Laser structuring device in particular a laser ablation device with a laser ablating and / or with an exposing laser, in particular for photoresists include.
  • the second structuring device has a lithographic, in particular photolithographic device for structuring, a galvanic device for structuring, a single grain diamond turning device, a
  • the receptacle for holding the base body is suitable to hold the base body during processing by means of the first and by means of the second device for structuring, in particular without new recording of the body and substantially without changing positioning, in order by re-clamping the body during its processing to introduce unwanted errors or at least to avoid additional, time-consuming operations.
  • the device already described comprises an active optical positioning device.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines strukturierten Gegenstands, insbesondere eines optischen Elementes mit einer Struktur auf einer optisch wirksamen nicht planen Fläche, vorzugsweise zur Strukturierung einer nicht-planen Oberfläche eines Gegenstands, sowie verfahrensgemäß hergestellte Gegenstände, umfassend das Bereitstellen eines Grundkörpers, insbesondere mit zumindest einer nicht-planen Oberfläche, das Herstellen einer Struktur, insbesondere an der zumindest einen nicht-planen Oberfläche des Gegenstands, mit Strukturieren einer Opferschicht, Übertragen der Struktur von der Opferschicht auf eine Oberfläche, wobei die Oberfläche eine Oberfläche des Grundkörpers, insbesondere eine nicht-plane Oberfläche des Grundkörpers oder eine Oberfläche an zumindest einem weiteren Körper ist, welcher am Grundkörper anbringbar ist wobei während des Übertragens der Struktur der Opferschicht auf die Oberfläche die Dicke der Opferschicht zumindest vermindert oder verändert und dabei die Oberfläche strukturiert wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines strukturierten Gegenstands sowie strukturierter Gegenstand
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines strukturierten Gegenstands, insbesondere zur Strukturierung einer nicht-planen Oberfläche eines Gegenstands sowie den strukturierten Gegenstand.
Mit zunehmender Speicherkapazität und lokaler Speicherdichte heutiger Datenträger, wie beispielsweise bei den beim Compact Disc- oder dem BlueRay- Aufzeichnungsverfahren verwendeten Datenträgern, werden sowohl an den Aufzeichnungs- als auch an den Wiedergabevorgang erhöhte Anforderungen in Bezug auf optische Abbildungseigenschaften gestellt. Dies verschärft jedoch maßgeblich Anforderungen an die Präzision, insbesondere auch bei der Herstellung der für die Aufzeichnung und Wiedergabe verwendeten optischen Elemente.
Derartige optische Elemente umfassen häufig auch mikrooptische Elemente, welche Fresnellinsen-Strukturen aufweisen, die an der Oberfläche eines transparenten Körpers angeordnet sind.
Bei der Herstellung dieser Elemente in hohen Stückzahlen werden bevorzugt Präge- oder Preß-, insbesondere Blankpreßverfahren mit hoher Präzision verwendet. Herkömmlich wurden hierzu Kunststoffe eingesetzt, insbesondere Polymere, welche bei relativ moderaten Temperaturen strukturierbar waren.
In der US 5,436,764 A wird ferner ein Verfahren zur Preßformung eines mikro-optischen, aus Glas bestehenden Elements beschrieben. Bei diesem Verfahren werden während des Preßformens Strukturen in die plane Oberfläche eines Glaskörpers eingebracht.
Die DE 10 2006 059 775 beschreibt ein mit Ta beschichtetes Formwerkzeug zum Pressen optischer Bauteile, mit welchem refraktive Strukturen, insbesondere auch in Glaskörper einbringbar sind.
Mit den wachsenden Anforderungen an die optische Präzision, insbesondere das Auflösungsvermögen besteht jedoch Bedarf an optischen Systemen, welche fresnellinsenartige oder diffraktive Strukturen auch an nicht-planen Oberflächen aufweisen, beispielsweise an refraktiven optischen Bauteilen.
Da jedoch Preßformen mit der hier benötigten hohen Präzision zumeist mit lithographischen Verfahren hergestellt wurden, welche jedoch die nötige Auflösung nur im Wesentlichen in einer planen Bildebene bereit stellen, war die Herstellung diffraktiver Strukturen an nicht-planen Oberflächen äußerst schwierig, beziehungsweise unmöglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines strukturierten Gegenstands bereit zu stellen, bei welchem auch die Strukturierung einer nicht-planen Oberfläche eines Gegenstandes ermöglicht wird, so daß hiermit beispielsweise optische Systeme, insbesondere für die Verwendung bei kürzeren Wellenlängen, wie beispielsweise blauem Licht, ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 30.
Mit diesem Verfahren und bevorzugt auch dieser Vorrichtung können als strukturierte Körper sowohl Formwerkzeuge als auch optische Bauelemente direkt und mit -hoher Präzision hergestellt werden.
Bei optischen Elementen kann eine Flankensteilheit der Fresnelstrukturen durch dieses Verfahren von größer 70° relativ zur Hauptebene des optischen Elements erreicht werden erreicht werden. Bei vielen Werkstoffen konnten sogar Flankesteilheiten von bis nahezu 90° relativ zur Hauptebene des optischen Elements erreicht werden, dies bedeutet, eine fast in Pressrichtung liegende Oberfläche erzeugt werden.
Optische Systeme mit den erfindungsgemäß hergestellten optischen Bauteilen erreichen beispielsweise Werte der numerischen Apertur NA von größer als 0,6.
Die Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines strukturierten Gegenstands, insbesondere zur Strukturierung einer nicht-planen Oberfläche eines Gegenstands, umfassend das Bereitstellen eines Grundkörpers, insbesondere mit zumindest einer nicht-planen Oberfläche, das Herstellen einer Struktur, insbesondere an der zumindest einen nichtplanen Oberfläche des Gegenstands, das Strukturieren einer Opferschicht, das Übertragen der Struktur von der
Opferschicht auf eine Oberfläche, wobei die Oberfläche eine Oberfläche des Grundkörpers, insbesondere eine nicht-plane Oberfläche des Grundkörpers oder eine Oberfläche an zumindest einem weiteren Körper ist, welcher am Grundkörper anbringbar ist wobei während des Übertragens .der Struktur der Opferschicht auf die Oberfläche die Dicke der Opferschicht zumindest vermindert oder verändert wird und dabei die Oberfläche strukturiert wird.
Mit vorstehendem Verfahren wird das Übertragen der Struktur, insbesondere das Übertragen der lateralen Struktur sowie das Übertragen einer ähnlichen vertikalen Struktur ermöglicht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Opferschicht vollständig aufgebraucht.
Generell kann das Übertragen der Struktur vorteilhaft Trockenätzen, insbesondere reaktives Ionenätzen umfassen.
In alternativer oder zusätzlicher Ausgestaltung des Verfahrens kann dieses für das Übertragen der Struktur naßchemisches Ätzen, insbesondere gerichtetes Ätzen entlang bevorzugter kristalliner Richtungen umfassen.
Bevorzugt kann der strukturierte Körper eine Präge- oder Preßform, insbesondere eine Blankpressform zur Herstellung eines optischen Elements sein, insbesondere zur Herstellung eines Glas oder Glaskeramik umfassenden optischen Elements, welches vorzugsweise diffraktive und/oder refraktive Strukturen aufweist.
Bei diesem Verfahren kann der Grundkörper zumindest in Teilen mittels Schleifen, Polieren oder Läppen an dessen Oberfläche strukturiert werden und kann hierbei beispielsweise eine Grundform mit hoher Oberflächenpräzision mit einer (mittleren, maximalen) Abweichung von besser als 2 μm gegenüber der Sollform entstehen.
Hierbei oder alternativ mit weiteren Fertigungsschritten kann der Grundkörper zumindest in Teilen der Oberfläche sphärisch, asphärisch oder frei geformt werden.
Der Grundkörper kann Bestandteile aus einem Material enthalten oder aus diesem bestehen, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die keramische Materialien und kristalline Materialien umfaßt.
Die keramischen Materialien können vorteilhaft
Wolframcarbide, Aluminiumcarbide, Siliziumcarbide, Titancarbide, Aluminiumoxide, Zirkonoxide, Siliziumnitride,
Aluminiumtitanate und/oder Aluminiumsinterwerkstoffe und/oder Mischungen aus diesen Stoffen, insbesondere als
Sinterwerkstoffe und insbesondere auch als pulvermetallurgische Werkstoffe umfassen
Die kristallinen Materialien umfassen bevorzugt Silizium oder Saphir. In vorteilhafter weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird der Grundkörper mit einer Antihaftschicht beschichtet.
Dabei kann die Antihaftschicht eine Platin-Gold-Legierung, insbesondere Pt5Au, und/oder Platin, Iridium und Rhodium enthaltende Legierungen umfassen. Ferner eignen sich auch Kohlenstoffschichten, bevorzugt DLC (diamond like carbon) , als Antihaftschicht.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Grundkörper strukturiert und danach die Antihaftschicht aufgetragen.
Alternativ oder zusätzlich zur vorhergehenden
Strukturierung des Grundkörpers kann die Antihaftschicht aufgetragen und strukturiert werden, insbesondere auch unter Verwendung einer, vorzugsweise zusätzlichen Opferschicht strukturiert werden.
Die Opferschicht kann vorteilhaft Metalle und/oder metallische Legierungen, insbesondere Nickel, Nickel-Bor-, Nickel-Phosphor-Bor-, oder eine Nickel-Phosphor-Legierung umfassen.
Sehr hohe Präzision, insbesondere mit Abweichungen von der erwünschten Form von weniger als 0,5 μm kann erreicht werden, wenn die Opferschicht mittels eines Abtragsverfahrens strukturiert wird, insbesondere mittels Lithographie, insbesondere Röntgenlithographie,
Laserablation und/oder Einkorn-Diamantbearbeitung, insbesondere Einkorn-Diamantdrehen strukturiert wird. In alternativer Ausgestaltung oder zusätzlich zu einer metallische Schicht oder einem metallischen Schichtanteil kann die Opferschicht auch oder alternativ ein Dielektrikum umfassen; insbesondere einen Lack, vorzugsweise einen Photolack, eine polymerisierbare, insbesondere eine photopolymerisierbare Substanz und/oder auch ein Glas, oder eine mit einem Sol-Gel-Verfahren hergestellte Keramik wie beispielsweise Zirkonoxid, umfassen.
Vorteilhaft kann die Opferschicht mittels eines Auftragsverfahrens strukturiert werden, insbesondere mittels Laserpolymeristation, Drucken, insbesondere dreidimensionalem Drucken, vorzugsweise mit nanopartikulären Bestandteilen, insbesondere mit nanopartikulären Metallbestandteilen,
Kunststoffbestandteilen und/oder Keramikbestandteilen, strukturiert wird.
Es besteht ferner auch die Möglichkeit, die Opferschicht sowohl mit Auftrags- als auch Abtragsverfahren zu strukturieren , um dergestalt beispielsweise die Fertigungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Es kann beispielsweise ein dicker Photolack mit einer Dicke im Bereich von bis zu 50 μm strukturiert aufgetragen und dieser mittels Einkorn-Diamantsschleifen in dessen Dicke mit einer Präzision von etwa Konturfehler besser 2 μm nachbearbeitet werden.
Vorteilhaft ist für höchste Präzision die Abtragsrate der Opferschicht größer oder gleich der Abtragsrate des Grundkörpers oder des weiteren Körpers, da hierbei die Struktur des strukturierten Körpers die Toleranzen der Opferschicht nicht überschreitet. Ist die Abtragsrate der Opferschicht beispielsweise um das zehnfache höherer als die Abtragsrate des Grundkörpers so wird im Mittel zwar von der Dicke her nur eine zehntel der Strukturtiefe der Opferschicht in den Grundkörper übertragen aber auch die Oberflächenfehler oder -abweichungen werden nur zu einem zehntel im strukturierten Körper vorhanden sein.
Wenn jedoch die Abtragsrate der Opferschicht kleiner als die Abtragsrate des Grundkörpers oder des weiteren Körpers ist, können tiefere Strukturen in den Grundkörper eingebracht werden und ist der Präzision der Oberfläche der strukturieren Opferschicht erhöhte Aufmerksamkeit zu widmen.
Eine fertigungstechnisch günstige und preiswerte Alternative ergibt sich, wenn der weitere Körper beispielsweise eine Folie ist.
Vorteilhaft kann der weitere Körper eine Folie aus polymerem Material, insbesondere mit einem Material, welches Polycarbonat, Polyethylen und/oder Methylemtacrylat umfasst, enthalten. .
Der strukturierte Körper oder insbesondere das strukturierte optische Bauteil kann Fresnelstrukturen, diffraktive optische Strukturen und/oder refraktive optische Strukturen umfassen. Alternativ kann der strukturierte Körper bevorzugt auch mikrofluidik-Strukturen umfassen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines strukturierten Körpers umfasst bevorzugt eine Aufnahme zur Halterung des Grundkörpers sowie mindestens eine erste und eine zweite Einrichtung zur Strukturierung einer Oberfläche.
Vorteilhaft umfasst bei dieser Vorrichtung die erste Einrichtung zur Konturierung bzw. Strukturierung eine Schleifspindel, eine Polierspindel, eine Drehmaschine (Einkorndiamantdrehmaschine) , eine Fräsmaschine (Einkorndiamantfräsmaschine) und/oder eine Laserstrukturierungseinrichtung, insbesondere eine
Laserablationseinrichtung mit einem abtragenden Laser und/oder mit einem belichtenden Laser, welcher insbesondere für die Belichtung von Photolacken oder Photopolymeren geeignet ist.
Vorteilhaft umfasst bei dieser Vorrichtung die zweite Einrichtung zur Strukturierung, insbesondere Feinstrukturierung eine lithographische, insbesondere photolithographische Einrichtung zur Strukturierung, eine galvanische Einrichtung zur Strukturierung, eine
Drehmaschine (vorzugsweise eine Einkorndiamantdrehmaschine) zur Strukturierung, eine Fräsmaschine (vorzugsweise eine Einkorndiamantfräsmaschine) zur Strukturierung und/oder eine Einrichtung zum Prägen.
Ferner ist bei dieser Vorrichtung die Aufnahme zur Halterung des Grundkörpers in vorteilhafter Weise geeignet, den Grundkörper während der Bearbeitung mittels der ersten und mittels der zweiten Einrichtung zur Strukturierung, insbesondere ohne neues Aufnehmen des Grundkörpers und im Wesentlichen ohne veränderte Positionierung zu halten.
Für erhöhte Anforderungen an die Genauigkeit ist es vorteilhaft, wenn in den Grundkörper oder den weiteren Körper in einem ersten Schritt eine nicht-plane optisch wirksame Kontur eingebracht wird, und gleichzeitig in den nicht optisch wirksamen Bereichen mindestens zwei
Justiermarken oder Justierflächen angeordnet werden.
Diese Justiermarken können insbesondere als Spiegelflächen, auch plan, konvex oder konkav ausgeführt sein. Damit ist die Lage der optisch wirksamen Kontur zu den Justierflächen oder -marken eindeutig festgelegt. Somit kann die Position der optisch wirksamen Kontur in der Vorrichtung bis in den Nanometerbereich genau justiert werden.
Ferner kann die optische Justierfläche oder Justiermarke auch innerhalb der optisch aktiven Fläche angeordnet sein und derart, beispielsweise bei der Zentrierung und auch zusätzlich oder alternativ bei der axialen Justierung eines optischen Systems hilfreich sein oder diese erst mit der nötigen Präzision ermöglichen.
Das bedeutet, die Justierfläche ist Teil eines optischen Systems auf der Vorrichtung oder Bearbeitungsmaschine, so dass eine leichte Dejustage von wenigen Nanometern schon eine detektierbare Veränderung der optischen Leistung des Systems hervorruft. In .einem einfachen Fall besteht das optische System für jede Justierfläche aus einem kollimierten Laser, der spiegelnden Justierfläche und einer Detektoreinheit .
Mit diesem Justiersystem ist es möglich, eine optisch wirksame Fläche zu erzeugen, sie aus der
Bearbeitungsmaschine zu nehmen, um sie dann mit einer Opferschicht oder Antihaftschicht zu beschichten. Anschließend kann der beschichtete Körper wieder in die gleiche oder eine andere Bearbeitungseinrichtung eingebracht und mittels der Justiermarken exakt ausgerichtet werden, um eine Feinstruktur in die Opferschicht oder Antihaftschicht einzubringen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben. Es zeigen
Figur 1 eine erste, jedoch nur beispielhafte Ausführungsform eines zu strukturierenden
Gegenstands mit einer zumindest abschnittsweise nicht-planen, bei dieser Ausführungsform konvexen Oberfläche in einer teilweisen Querschnittsdarstellung, Figur 2 die in Fig. 1 dargestellte erste Ausführungsform eines Gegenstands mit einer erfindungsgemäß eingebrachten Struktur in der zumindest abschnittsweise nicht-planen Oberfläche in einer teilweisen Querschnittsdarstellung, Figur 3 die in Fig. 1 und 2 dargestellte erste
Ausführungsform eines Gegenstands mit einer an der zumindest abschnittsweise nicht-planen Oberfläche angebrachten Opferschicht in einer teilweisen Querschnittsdarstellung, Figur 4 die in Fig. 1 und 2 dargestellte erste
Ausführungsform eines Gegenstands mit einer an der zumindest abschnittsweise nicht-planen
Oberfläche angebrachten Opferschicht, in welche eine Struktur eingebracht oder eine Opferschicht strukturiert abgeschieden wurde in einer teilweisen Querschnittsdarstellung, Figur 5 die in Fig. 4 dargestellte erste Ausführungsform eines Gegenstands, bei welchem die Struktur, welche in die Opferschicht eingebracht wurde, auf den Gegenstand übertragen wurde in einer teilweisen Querschnittsdarstellung, Figur 6 die in Fig. 5 dargestellte erste Ausführungsform eines strukturierten Gegenstands, bei welchem zumindest auf einen Teil der Struktur, welche auf den Gegenstand übertragen wurde, eine Antihaftschicht aufgetragen wurde, in einer teilweisen Querschnittsdarstellung,
Figur 7 die in Fig. 6 dargestellte erste Ausführungsform eines strukturierten Gegenstands, bei welchem zumindest ein Teil der Antihaftschicht strukturiert wurde, in einer teilweisen Querschnittsdarstellung,
Figur 8 einen vergrößerten Ausschnitt der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform eines strukturierten Gegenstands, bei welchem zumindest ein Teil der Antihaftschicht strukturiert wurde, in einer teilweisen Querschnittsdarstellung,
Figur 9 eine erste Ausführungsform eines weiteren Körpers, welcher erfindungsgemäß strukturierbar und an einem Grundkörper anbringbar ist, in einer Querschnittsdarstellung,
Figur 10 den in Fig. 9 gezeigten weiteren Körper, welcher erfindungsgemäß strukturiert wurde, in einer
Querschnittsdarstellung,
Figur 11 eine alternative Ausführungsform eines weiteren Körpers, welcher erfindungsgemäß strukturierbar und an einem Grundkörper anbringbar ist und an welchem eine Opferschicht angebracht wurde, in einer Querschnittsdarstellung,
Figur 12 die in Fig. 11 gezeigte alternative
Ausführungsform des weiteren Körpers, an welchem die an diesem angebrachte Opferschicht strukturiert wurde, in einer
Querschnittsdarstellung,
Figur 13 die in Fig. 12 gezeigte alternative
Ausführungsform des weiteren Körpers, an welchem die Struktur der an diesem angebrachten Opferschicht auf den weiteren Körper übertragen wurde, in einer Querschnittsdarstellung,
Figur 14 die in Fig. 1 dargestellte erste, jedoch nur beispielhafte Ausführungsform eines zu strukturierenden Gegenstands mit einer zumindest abschnittsweise nicht-planen Oberfläche, an welcher der strukturierte weitere Körper angebracht wurde, einer teilweisen Querschnittsdarstellung.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen Bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung wird auf die Figuren, welche jedoch in nicht maßstabsgerechter Form dargestellt sind, Bezug genommen. Insbesondere die in den Gegenstand eingebrachte oder an diesem angebrachte Struktur kann im Verhältnis zur dargestellten Größe des Gegenstands sehr viel kleiner sein, als diese in den Figuren jeweils gezeigt ist.
Zum besseren Verständnis werden nachfolgend Definitionen einiger in der Beschreibung sowie in den Ansprüchen verwendeter Begriffe angegeben.
Eine Oberfläche, welche nicht-plan ist umfasst im Sinne dieser Beschreibung diffraktive und/oder refraktive Strukturen und/oder, vorzugsweise rotationssymmetrische oder zylindersymmetrische Freiformen und zumindest auch alle in der DE 10 2004 38 727 Al erwähnten Oberflächen und Formen. Darüber hinaus kann diese Oberfläche auch stufenförmig ausgebildet sein.
Das Übertragen einer Struktur, insbesondere von einer Opferschicht, welche an einem Körper angeordnet ist, in den Körper, umfasst im Wesentlichen das Übertragen der lateralen Struktur sowie das Übertragen einer ähnlichen vertikalen Struktur.
Die zu übertragende Struktur kann dabei in Form von Stufen ausgebildet sein, welche digital nur eine vorhandene Stufe oder eine nicht-vorhandene Stufe, wie im binären Zahlenbereich die Null oder die Eins repräsentieren. Darüber hinaus können auch nicht binäre Strukturen mit verschiedener Stufenhöhe realisiert werden, beispielsweise mit zwei drei oder mehr als drei Stufenhöhen, um beispielsweise abschnittsweise analoge Strukturen, wie Fresnelstrukturen zu approximieren.
Weiterhin können die zu übertragenen Strukturen auch analoge, diese bedeutet sich kontinuierlich mit dem Ort ändernde Dicke oder Tiefe haben, welche auch abschnittsweise Sprünge aufweisen, wie dies unter anderem bei analogen Fresnellinsen der Fall ist.
Weiterhin kann die zu übertragende Struktur auch eine besondere Oberflächentextur sein. Dies können Mottenaugenstrukturen oder Oberflächen mit gleichmäßiger genau bestimmter Rauhigkeit sein.
In diesem Zusammenhang soll der Ausdruck, dass eine Struktur ähnlich ist, bedeuten, dass die Struktur in der Oberfläche im Wesentlichen bis auf durch die Übertragung eingebrachte Abweichungen, die gleichen lateralen
Abmessungen zeigt, aber nach Übertragung eine von der Dicke der Opferschicht verschiedene lokale Tiefe haben kann, da die Abtragsrate der Opferschicht von der Abtragsrate des Körpers, in welchen die Struktur übertragen wird, verschieden sein kann.
Eine zur Dicke ähnliche Tiefe bedeutet folglich im Sinne dieser Beschreibung und der Ansprüche, dass die Oberflächenform der Opferschicht lokal auf die unter dieser liegende, zu strukturierende Oberfläche zwar übertragen aber nicht zwingend in deren Tiefe konturtreu übertragen wird; der Ausdruck "ähnlich" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die strukturierte Oberfläche lokal dort tiefer sein wird, wo die Opferschicht weniger dick bzw. wo die Opferschicht tiefer war, dies kann eine zur Tiefe der Einsenkung in der Opferschicht proportionale Tiefe sein, wenn keinerlei Sättigungseffekte eintreten; dies kann aber auch bei Sättigungs- oder anderen Effekten eine nichtlineare Abhängigkeit von der lokalen Tiefe bzw. von der lokalen Dicke der Opferschicht umfassen.
Durch die Übertragung eingebrachte Abweichungen umfassen hierbei im Wesentlichen laterale Effekte, die durch Schattenwurf, Unterätzungen oder nicht erwünschte Streuung von Licht an Masken oder Opferschichtgrenzen bewirkt sind.
Zum besseren Verständnis der Erfindung und um zumindest Teile der Offenbarung der DE 10 2004 38 727 Al in Kombination mit Offenbarungsinhalten dieser Anmeldung beanspruchen zu können, wird der gesamte Inhalt der DE 10 2004 38 727 Al durch Bezugnahme auch zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht.
Zum besseren Verständnis insbesondere auch von möglichen Beschichtungen wird der gesamte Inhalt der DE 10 2006 059 775 Al durch Bezugnahme auch zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht.
Nachfolgend wird auf Fig. 1 Bezug genommen, welche eine erste, jedoch nur beispielhafte Ausführungsform eines zu strukturierenden Gegenstands 1 mit einer zumindest abschnittsweise nicht-planen, bei dieser Ausführungsform konvexen Oberfläche 2 in einer teilweisen Querschnittsdarstellung zeigt. Der Grundkörper weist an dessen zu strukturierender Oberfläche 2 einen abschnittsweise planen Bereich 3 und einen nicht-planen konvexen Bereich 4 auf.
In erfindungsgemäßer Weise kann sowohl der plane Bereich 3 als auch der nicht-plane konvexe Bereich 4 sowie beide oder nur einer der Bereiche 3, 4 strukturiert werden.
Ansonsten kann der Grundkörper 1 im Wesentlichen beliebige Formen annehmen, welche der jeweiligen Anwendung entsprechend ausgebildet sind. So kann der Grundkörper zumindest in Teilen der Oberfläche auch konvex und kann insbesondere sphärisch, asphärisch oder frei geformt werden.
Insbesondere kann der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren strukturierte Körper eine Präge- oder Pressform mit hoher Oberflächengenauigkeit sein.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der strukturierte Körper eine Präge- oder Pressform, insbesondere eine Blankpressform zur Herstellung eines optischen Elements, insbesondere zur Herstellung eines Glas oder Glaskeramik umfassenden optischen Elements, welches vorzugsweise diffraktive und/oder refraktive Strukturen aufweist .
Diesbezüglich wird auch auf die in der DE 10 2004 38 727 Al erwähnten optischen Elemente verwiesen, für welche der Grundkörper als Blankpressform nutzbar ist, oder welche jeweils direkt durch das erfindungsgemäße strukturgebende Verfahren herstellbar sind.
Bei hybriden optischen Systemen kann eine Oberfläche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren strukturiert werden oder können auch mehrere Oberflächen mit diesem Verfahren deren Struktur erhalten.
In allen vorstehend erwähnten Fällen kann das strukturierte optische Bauteil Fresnelstrukturen, diffraktive optische Strukturen und/oder refraktive optische Strukturen umfassen .
In alternativer Ausgestaltung kann der strukturierte Gegenstand oder Körper auch mikrofluidik-Strukturen umfassen, beispielsweise in der Oberfläche ausgebildete Kanalsysteme umfassen, welche dem Fachmann auf dem Gebiet der Mikrofluidik wohlbekannt sind und folglich keiner Darstellung in den Zeichnungen bedürfen.
In Abhängigkeit vom jeweiligen Anwendungsfall besteht der Grundkörper aus einem kristallinen oder keramischen Material oder enthält Bestandteile aus einem solchen Material .
Die keramischen Materialien können dabei Wolframcarbide, Aluminiumcarbide, Siliziumcarbide, Titancarbide, Aluminiumoxide, Zirkonoxide, Siliziumnitride, Aluminiumtitanate und/oder Aluminiumsinterwerkstoffe und/oder Mischungen aus diesen Stoffen, insbesondere als Sinterwerkstoffe und insbesondere dies auch als pulvermetallurgische Werkstoffe umfassen Die kristallinen Materialien können bevorzugt Silizium oder Saphir umfassen.
Um bei einem Verfahren zur Herstellung eines strukturierten Gegenstands auch die Strukturierung einer nicht-planen Oberfläche eines Gegenstandes zu ermöglichen, so daß hiermit beispielsweise optische Systeme, insbesondere für die Verwendung bei kürzeren Wellenlängen, wie beispielsweise blauem Licht, ermöglicht wird, sind mindestens zwei formgebende Oberflächenbearbeitungsvorgänge vorgesehen.
Bei einem ersten formgebenden Oberflächenbearbeitungs- Vorgang kann beispielsweise der Grundkörper 1 an dessen
Oberfläche 2 so bearbeitet werden, dass dieser den planen Bereich 3 und den nicht-planen Bereich 4 erhält.
Bei diesem ersten Oberflächenbearbeitungsvorgang kann die Bearbeitung der Oberfläche 2 des Grundkörpers 1 vollflächig oder zumindest in Teilen mittels Schleifen, Polieren oder Läppen erfolgen und die in Figur 1 dargestellte konvexe Auswölbung des nicht-planen Bereichs 4 bereitstellen.
Je nach zu strukturierendem Material des Grundkörpers 1 kann dessen Oberfläche 2, falls dieser beispielsweise aus Glas oder einer Glaskeramik besteht oder derartiges Material umfasst auch durch Prägen oder Pressen, insbesondere auch Präzisionspressen geformt werden.
Die bei dem ersten Oberflächenbearbeitungsvorgang in den Figuren mit x angegebene höchste Höhe der Auswölbung des nicht planen Bereichs ist in typischer Weise um den Faktor 10 größer als die nachfolgend eingebrachte Strukturgrößen, wie beispielsweise die Tiefe einer Stufe, welche beispielsweise bei einem zweiten Oberflächenbearbeitungsvorgang ausgebildet wird.
Um die bei dem zweiten Oberflächenbearbeitungsvorgang ausgebildete Struktur zu erläutern wird zunächst auf Fig. 2 Bezug genommen, welche die in Fig. 1 dargestellte erste Ausführungsform des Gegenstands 1 mit der erfindungsgemäß eingebrachten Struktur in der zumindest abschnittsweise nicht-planen Oberfläche in einer teilweisen Querschnittsdarstellung zeigt.
Diese feineren Strukturgrößen sind herkömmlich nicht höchstpräzisen strukturgebenden Verfahren, wie beispielsweise mit lithographischen Verfahren herstellbar, da die Dreidimensionalität der konvexen Erhebung nicht mit der benötigten Genauigkeit belichtet werden kann.
Der in Fig. 1 dargestellte Grundkörper 1, insbesondere mit dessen zumindest bereichsweise nicht-planen Oberfläche 2 wird nachfolgend zum Herstellen einer Struktur, insbesondere an der zumindest einen nicht-planen Oberfläche des Gegenstands verwendet, wie diese in Fig. 2 beispielhaft dargestellt ist.
Bei einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird hierzu das Strukturieren einer Opferschicht 5 eingesetzt, welche vorzugsweise leichter und/oder präziser als der Grundkörper 1 selbst strukturiert werden kann und wird nachfolgend die Struktur von der Opferschicht auf eine Oberfläche 2 des Grundkörpers 1 vorgenommen.
Dabei ist die Oberfläche 2 eine Oberfläche des Grundkörpers 1, insbesondere die nicht-plane Oberfläche im Bereich 4 des Grundkörpers 1.
Zu diesem Zweck wird zunächst eine Opferschicht 5 auf zumindest den nachfolgend zu strukturierenden Bereich der Oberfläche 4 aufgebracht, welches je nach Material der Opferschicht auf verschiedene Arten durchgeführt werden kann.
Prinzipiell kann die in Fig. 3 dargestellte Opferschicht, wie vorstehend erwähnt zunächst vollflächig aufgebracht und nachfolgend strukturiert werden oder kann ein strukturierter Auftrag der Opferschicht 5 erfolgen.
In weiterer Ausgestaltung können auch mehr als eine Opferschicht aufgetragen werden, um beispielsweise die benötigten Dicken der Opferschicht 5 zu erreichen und können hierzu auch alle vorstehend und nachfolgend beschriebenen Auftragsweisen miteinander kombiniert werden.
Wenn die Opferschicht Metalle und/oder metallische
Legierungen, insbesondere Nickel, Nickel-Bor-, Nickel- Phosphor-Bor-, oder eine Nickel-Phosphor-Legierung umfasst, haben sich vollflächiger Auftrag der Opferschicht mit deren nachfolgender Strukturierung bewährt.
In diesem Falle ist es vorteilhaft, wenn die Opferschicht mittels eines Abtragsverfahrens strukturiert wird, insbesondere mittels Lithographie, insbesondere Röntgenlithographie, Laserablation und/oder Einkorn- Diamantbearbeitung, insbesondere Einkorn-Diamantdrehen strukturiert wird.
Metalle lassen sich häufig wesentlich präziser und einfacher strukturieren als beispielsweise Gläser oder Keramiken und es kann in diesem Falle durch die Vorstrukturierung der Opferschicht die hier mögliche Präzision auf den Grundkörper 1 strukturell übertragen werden.
In alternativer oder bei mehrlagigen Systemen in zusätzlicher Ausgestaltung umfasst die Opferschicht ein Dielektrikum, insbesondere einen Lack, vorzugsweise einen Photolack, welcher dann mittels lithographischer oder für höchste Präzision mittels mechanischer Verfahren, wie beispielsweise Einkorn-Diamantdrehen strukturierbar ist. '
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Opferschicht eine polymerisierbare, insbesondere eine photopolymerisierbare Substanz und kann mittels eines Auftragsverfahrens strukturiert werden, insbesondere mittels Laserpolymeristation, Drucken, dabei bevorzugt mittels dreidimensionalem Drucken.
Eine Opferschicht kann auch aus PMMA bestehen. Diese kann aufgespritzt oder im Ofen durch Erwärmen und vorhergehendem Vergießen aufgebracht werden.
Zur Steigerung der Strukturfestigkeit der Operschicht enthält diese bei einer weiteren Ausführungsform nanopartikuläre Bestandteile, insbesondere nanopartikuläre Metallbestandteile, Kunststoffbestandteile und/oder auch Keramikbestandteile. Zur definierten Anpassung der Materialeigenschaften können auch Mischungen mit den entsprechend benötigten Verhältnissen der verschiedenen Bestandteile verwendet werden.
Bei einer nochmals weiteren Ausführungsform kann die Opferschicht auch ein Glas oder eine Keramik, insbesondere ein mit einem Sol-Gel-Verfahren hergestelltes Glas oder Keramik wie beispielsweise Zirkonoxid umfassen. Dieses Dielektrikum ist nach dessen Auftrag mittels Laserablation mit hoher Präzision strukturierbar.
Nachdem die Opferschicht 5, wie in Figur 3 dargestellt vollflächig aufgebracht und strukturiert wurde oder strukturiert aufgebracht wurde ergibt sich eine wie in Fig. 4 dargestellte Anordnung bei welcher Strukturen der Opfersicht ausgebildet wurden, welche ortsabhängig eine sich definiert ändernde Tiefe oder Dicke haben.
In einem nachfolgenden Bearbeitungsschritt wird die Struktur von der Opferschicht 5 auf den Grundkörper 1 übertragen und dieser dabei in dessen Oberfläche 2 strukturiert.
Das Übertragen der Struktur umfasst das Übertragen der lateralen Struktur sowie das Übertragen einer ähnlichen vertikalen Struktur.
Das Übertragen der Struktur wird bei einer ersten Ausführungsform durch Trockenätzen, insbesondere durch reaktives Ionenätzen vorgenommen und dabei der Ionenstrahl vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche 2 gerichtet auf die Opfersicht 5 auftreffen lassen. Im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche 2 soll dabei der Richtung der Normalen zu dem planen Bereich 3 entsprechen.
Das Übertragen der Struktur erfolgt alternativ durch naßchemisches Ätzen, insbesondere durch gerichtetes Ätzen entlang bevorzugter kristalliner Richtungen eines kristallinen Grundkörpers 1.
Während des Übertragens der Struktur der Opferschicht 5 auf die Oberfläche 2 wird die Dicke der Opferschicht zumindest vermindert oder verändert und wird dabei die Oberfläche 2 des Grundkörpers 5 strukturiert.
Hierbei kann die Opferschicht vollständig aufgebraucht werden oder diese auch nur bis zu einem bestimmten Grad aufgebraucht und deren restliche Anteile formgebend zur Formung der Oberfläche 2 verwendet werden.
Bei einer alternativen Ausführungsform oder in weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Oberfläche an zumindest einem weiteren Körper strukturiert, welcher am Grundkörper 1 anbringbar ist und welcher zunächst nicht an diesem angebracht sein muß.
Zur Erläuterung dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst auf Fig. 9 verwiesen, welche eine erste Ausführungsform eines weiteren Körpers, welcher erfindungsgemäß strukturierbar und an einem Grundkörper anbringbar ist, in einer Querschnittsdarstellung zeigt. Dieser weitere Körper kann eine Folie aus polymerem Material sein, welches insbesondere Polycarbonat, Polyethylen und/oder Methylemtacrylat oder deren Mischungen umfasst.
Ferner kann auch dieser. weitere Körper durch die vorstehend beschriebenen strukturgebenden Verfahren hergestellt sein, wodurch sich eine Form wie diese in Fig. 10 dargestellt ist ergibt.
Bei einer Folie können mit hoher Präzision strukturgebende Verfahren, wie beispielsweise lithographische Verfahren verwendet werden, ohne dass es durch mangelnde Tiefenschärfe zu Ungenauigkeiten kommt, wie dies bei nichtplanen Objekten der Fall wäre und es kann nachfolgend der weitere Körper an der Oberfläche 2 des Gegenstands 1 angebracht werden so daß hierdurch die Präzision einer im Wesentliche zweidimensionalen Formgebung auf dreidimensionale, somit nicht-plane Gegenstände übertragbar ist .
Bei einer weiteren Ausführungsform, welche in den Figuren 11, 12 und 13 dargestellt ist, kann die Strukturierung eines alternativen weiteren Körpers 7 mittels einer
Opfersicht 8 vorgenommen werden, welche wie vorstehend beschrieben aufgetragen werden kann, wodurch sich die in Fig. 11 dargestellte Anordnung ergibt.
Wenn die Opferschicht dann strukturiert oder strukturiert aufgetragen wird, ergibt sich die in Fig. 12 dargestellte Anordnung. Durch das Übertragen der Struktur der Opferschicht 8 auf den weiteren Körper 7 wird der in Fig. 13 gezeigte strukturierte weitere Körper 7 erhalten, welcher nachfolgend an der Oberfläche 2 angebracht werden kann, wie dieses für den Zustand nach dessen Anbringung in Fig. 14 gezeigt ist.
Der weitere Körper 7 kann nachfolgend als strukturgebendes Element am Gegenstand 1 an dessen Oberfläche 2 oder erneut als Opferschicht für den Gegenstand 1 zur Strukturierung von dessen Oberfläche 2 verwendet werden.
Nach der Strukturierung der Oberfläche 2 des Gegenstands 1 wird diese Oberfläche 2 optional mit einer Antihaftschicht beschichtet, welche für Präge- oder Pressformen insbesondere für Präzisionspressformen hilfreich für die Entformung nach der Durchführung des Präge oder Pressvorgangs ist.
Hierdurch ergibt sich die in Fig. 6 dargestellte Anordnung, welche bereits eine für viele Anwendungen, beispielsweise für der Präge- und Pressanwendungen bevorzugte Ausführungsform darstellt.
Die Antihaftschicht umfasst eine Platin-Gold-Legierung, insbesondere Pt5Au, und/oder Platin, Iridium und Rhodium enthaltende Legierungen, und weitere Materialien wie diese beispielsweise auch in der inkorporierten DE 10 2004 38 727 Al beschrieben sind. Um besonders hohe Kantenschärfe zu erhalten kann die Antihaftschicht 9 zunächst aufgetragen und nachfolgend dann noch strukturiert werden.
Diese Strukturierung führt zu einer Schichtstruktur, wie diese in den Figuren 7 und 8 gezeigt sind.
Dabei zeigt Fig. 7 die Ausführungsform eines strukturierten Gegenstands, bei welchem zumindest ein Teil der Antihaftschicht strukturiert wurde, in einer teilweisen Querschnittsdarstellung und Fig. 8 einen vergrößerten Ausschnitt der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform.
Die Strukturierung der Antihaftschicht insbesondere unter Verwendung einer Opferschicht strukturiert wird.
Die Erfindung ist nicht auf eine Antihaftschicht 9 beschränkt sondern es können auf den Gegenstand 1 eine oder mehrere Schichten aufgetragen und strukturiert werden und auf diese Weise dickere Schichten beziehungsweise tiefere Strukturen erzeugt werden.
Die Erfindung ist zu deren Durchführung nicht auf bestimmte Vorrichtungen oder Maschinen beschränkt, jedoch kann es zur Erreichung besonders hoher Präzision vorteilhaft sein, wenn hierzu eine besonders geeignete Vorrichtung verwendet wird, welche eine Aufnahme zur Halterung des Grundkörpers sowie mindestens eine erste und eine zweite Einrichtung zur Strukturierung einer Oberfläche, insbesondere des Grundkörpers 1 umfasst. Zunächst wird von einer Darstellung der bevorzugten Ausführungsformen dieser Vorrichtung in den Zeichnungen abgesehen, jedoch kann die erste Einrichtung zur Konturierung oder Strukturierung eine Schleifspindel, eine Polierspindel, Drehmaschine und/oder eine
Laserstrukturierungseinrichtung, insbesondere eine Laserablationseinrichtung mit einem abtragenden Laser und/oder mit einem belichtenden Laser insbesondere für Photolacke, umfassen.
Die zweite Einrichtung zur Strukturierung weist zur Erreichung möglichst hoher Bearbeitungspräzision eine lithographische, insbesondere photolithographische Einrichtung zur Strukturierung, eine galvanische Einrichtung zur Strukturierung, eine Einkorndiamantdreheinrichtung, eine
Einkorndiamantfräseinrichtung und/oder eine Einrichtung zum Prägen auf.
Die Aufnahme zur Halterung des Grundkörpers ist jedoch geeignet, den Grundkörper während der Bearbeitung mittels der ersten und mittels der zweiten Einrichtung zur Strukturierung, insbesondere ohne neues Aufnehmen des Grundkörpers und im Wesentlichen ohne veränderte Positionierung zu halten, um dergestalt durch Umspannen des Grundkörpers während dessen Bearbeitung unerwünschte Fehler einzubringen oder zumindest zusätzliche, zeitaufwändige Arbeitsgänge zu vermeiden.
Alternativ oder zusätzlich umfasst die schon beschriebene Vorrichtung eine aktive optische Positionierungseinrichtung.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines strukturierten Gegenstands, insbesondere zur Strukturierung einer nicht- planen Oberfläche eines Gegenstands, umfassend das
Bereitstellen eines Grundkörpers, insbesondere mit zumindest einer nicht-planen Oberfläche,
Herstellen einer Struktur, insbesondere an der zumindest einen nicht-planen Oberfläche des Gegenstands, umfassend das Strukturieren einer Opferschicht,
welches insbesondere relativ zur nicht-planen
Oberfläche justiert erfolgt,
das Übertragen der Struktur von der Opferschicht auf eine
Oberfläche,
wobei die Oberfläche eine Oberfläche des Grundkörpers, insbesondere eine nicht-plane Oberfläche des Grundkörpers
oder
eine Oberfläche an zumindest einem weiteren Körper ist, welcher am Grundkörper anbringbar ist wobei während des Übertragens der Struktur der Opferschicht auf die Oberfläche die Dicke der Opferschicht zumindest vermindert oder verändert und dabei die Oberfläche strukturiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Übertragen der Struktur das Übertragen der lateralen Struktur sowie das Übertragen einer ähnlichen vertikalen Struktur umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Opferschicht vollständig aufgebraucht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei welchem das Übertragen der Struktur Trockenätzen, insbesondere reaktives Ionenätzen umfasst.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei welchem das Übertragen der Struktur naß-chemisches Ätzen, insbesondere gerichtetes Ätzen entlang bevorzugter kristalliner Richtungen umfaßt.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem der strukturierte Körper eine Präge- oder Preßform ist.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem der strukturierte Körper eine Präge- oder Preßform, insbesondere eine Blankpressform zur Herstellung eines optischen Elements ist, insbesondere zur Herstellung eines Glas oder Glaskeramik umfassenden optischen Elements, welches vorzugsweise diffraktive und/oder refraktive Strukturen aufweist.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem der Grundkörper zumindest in Teilen mittels Schleifen, Polieren oder Läppen an dessen Oberfläche strukturiert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem der Grundkörper zumindest in Teilen der Oberfläche sphärisch, asphärisch oder frei geformt wird.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem der Grundkörper Bestandteile aus einem Material enthält oder aus diesem besteht, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die keramische Materialien und kristalline Materialien umfaßt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem die keramischen Materialien Wolframcarbide, Aluminiumcarbide, Siliziumcarbide, Titancarbide, Aluminiumoxide, Zirkonoxide, Siliziumnitride, Aluminiumtitanate und/oder
Aluminiumsinterwerkstoffe und/oder Mischungen aus diesen Stoffen, insbesondere als
Sinterwerkstoffe und insbesondere als pulvermetallurgische
Werkstoffe umfassen
12. Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem die kristallinen Materialien Silizium oder Saphir umfassen.
13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem der Grundkörper mit einer Antihaftschicht beschichtet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem die Antihaftschicht eine Platin-Gold-Legierung, insbesondere Pt5Au, und/oder Platin, Iridium und Rhodium enthaltende Legierungen oder Kohlenstoff enthaltende Schichten, bevorzugt vom DLC-Typ (diamond like Carbon Typ), umfasst.
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem der Grundkörper strukturiert und danach die Antihaftschicht aufgetragen wird.
16. Verfahren insbesondere nach Anspruch 13, 14 oder 15, bei welchem die Antihaftschicht aufgetragen und strukturiert wird, insbesondere unter Verwendung einer Opferschicht oder durch Einkorndiamantdrehen und/oder - fräsen strukturiert wird.
17. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchen die Opferschicht Metalle und/oder metallische Legierungen, insbesondere Nickel, Nickel-Bor-, Nickel- Phosphor-Bor-, oder eine Nickel-Phosphor-Legierung umfasst.
18. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die Opferschicht mittels eines Abtragsverfahrens strukturiert wird, insbesondere mittels Lithographie, insbesondere Röntgenlithographie, Laserablation und/oder Einkorn-Diamantbearbeitung, insbesondere Einkorn- Diamantdrehen strukturiert wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche von 1 bis 16, bei welchem die Opferschicht. ein Dielektrikum umfasst und insbesondere einen Lack, vorzugsweise einen Photolack, eine polymerisierbare, insbesondere eine photopolymerisierbare Substanz und/oder ein Keramik, insbesondere ein mit einem Sol-Gel-Verfahren hergestellte Keramik (z.B. Zirkonoxid) , umfasst .
20. Verfahren nach Anspruch 19, bei welchem die Opferschicht mittels eines Auftragsverfahrens strukturiert wird, insbesondere mittels Laserpolymerstation, Drucken, insbesondere dreidimensionalem Drucken, vorzugsweise mit nanopartikulären Bestandteilen, insbesondere mit nanopartikulären Metallbestandteilen,
Kunststoffbestandteilen und/oder Keramikbestandteilen, strukturiert wird.
21. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die Abtragsrate der Opferschicht größer oder gleich der Abtragsrate des Grundkörpers oder des weiteren Körpers ist.
22. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die Abtragsrate der Opferschicht kleiner als die Abtragsrate des Grundkörpers oder des weiteren Körpers ist.
23. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem der weitere Körper eine Folie ist.
24. Verfahren nach Anspruch 23, bei welchem der weitere Körper eine Folie aus polymerem Material, welches insbesondere Polycarbonat, PMMA, Polyethylen und/oder Methylemtacrylat umfasst.
25. Strukturierter Körper herstellbar oder hergestellt nach einem der vorstehenden Ansprüche.
26. Strukturierter Körper, insbesondere nach Anspruch 25, umfassend ein strukturiertes optisches Bauteil.
27. Strukturierter Körper, insbesondere nach Anspruch 25 oder, bei welchem das strukturierte optische Bauteil
- Fresnelstrukturen - diffraktive optische Strukturen und/oder refraktive optische Strukturen umfasst.
28. Strukturierter Körper, insbesondere nach Anspruch 25, umfassend mikrofluidik-Strukturen .
29. Strukturierter Körper, insbesondere nach Anspruch 25, umfassend ein Glasteil oder einen Kristall, das/der mit einer Opferschicht strukturiert wird.
30. Vorrichtung zur Herstellung eines strukturierten
Körpers, insbesondere eines strukturierten Körpers mit den Merkmalen des Anspruchs 25, umfassend eine Aufnahme zur Halterung des Grundkörpers sowie mindestens eine erste und eine zweite Einrichtung zur Strukturierung einer Oberfläche.
31. Vorrichtung nach Anspruch 30, bei welcher die erste Einrichtung zur Strukturierung eine Schleifspindel, eine Polierspindel und/oder eine Laserstrukturierungseinrichtung, insbesondere eine
Laserablationseinrichtung mit einem abtragenden Laser und/oder mit einem belichtenden Laser insbesondere für Photolacke, umfasst.
32. Vorrichtung nach Anspruch 30 oder 31, bei welcher die zweite Einrichtung zur Strukturierung eine lithographische, insbesondere photolithographische Einrichtung zur Strukturierung, eine galvanische Einrichtung zur Strukturierung und/oder eine Einrichtung zum Prägen umfasst .
33. Vorrichtung nach Anspruch 30, 31 oder 32, bei welcher die Aufnahme zur Halterung des Grundkörpers geeignet ist, den Grundkörper während der Bearbeitung mittels der ersten und mittels der zweiten Einrichtung zur Strukturierung, insbesondere ohne neues Aufnehmen des Grundkörpers und im Wesentlichen ohne veränderte Positionierung zu halten.
34. Strukturierter Körper nach einem der Ansprüche von 25 bis 33 umfassend Justiermarken und/oder Justierflächen auf dem Grundkörper, die sich außerhalb der optisch wirksamen Flächen befinden.
35. Strukturierter Körper nach einem der Ansprüche von 25 bis 33 umfassend Justiermarken und/oder Justierflächen auf dem Grundkörper, die sich innerhalb der optisch wirksamen Flächen befinden.
36. Optisches Element mit diffraktiven Strukturen und/oder refraktiven Strukturen und/oder Mottenaugen und/oder definierten Rauhigkeiten auf nicht-planen Flächen aus Glas oder Glaskeramik, insbesondere hergestellt oder herstellbar mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche von 1 bis 24.
37. Blankpressform mit einer diffraktiven Struktur auf einer nicht-planen optisch wirksamen Fläche zur Herstellung von optischen Elementen aus Glas/Glaskeramik, insbesondere hergestellt oder herstellbar mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche von 1 bis 24.
38. Blankpressform nach Anspruch 37 umfassend Justiermarken und/oder Justierflächen auf dem Grundkörper, die sich außerhalb der optisch wirksamen Flächen befinden.
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