WO2011000932A1

WO2011000932A1 - Verfahren zur herstellung eines refraktiven optischen elementes und refraktives optisches element

Info

Publication number: WO2011000932A1
Application number: PCT/EP2010/059411
Authority: WO
Inventors: Markus Simon
Original assignee: Baden-Wuerttemberg Stiftung Ggmbh
Priority date: 2009-07-01
Filing date: 2010-07-01
Publication date: 2011-01-06
Also published as: DE102009031476A1; EP2449560A1; DE102009031476B4; EP2449560B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein refraktives optisches Element (5) mit einer Mehrzahl optischer Teilelemente (3), wobei die optischen Teilelemente (3) derart angeordnet sind, dass die Anzahl der optischen Teilelemente (3), die von elektromagnetischer Strahlung, welche auf das optische Element (5) parallel zur optischen Achse des optischen Elementes (5) einfällt, passiert werden, mit steigendem Abstand zur optischen Achse ebenfalls ansteigt, wobei die optischen Teilelemente (3) um die optische Achse gekrümmt ausgebildet sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen optischen Elementes (5).

Description

Verfahren zur Herstellung eines refraktiven optischen Elementes und refraktives optisches Element

Die Erfindung betrifft ein refraktives optisches Element, insbesondere ein refraktives optisches Element zur Brechung bzw. Fokussierung von Röntgenstrahlung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines refraktiven optischen Elementes. Für die Brechung von Röntgenstrahlung, also elektromagnetischer Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 5 pm bis 50 nm, besteht eine besondere Problematik dahingehend, dass die Brechkraft der für Röntgenstrahlung hinreichend transmissiven Materialien so gering ist, dass im Fall der Verwendung massiver Linsen vergleichsweise extreme Formen von Linsen notwendig sind, die unter anderem dazu führen, dass der Weg der Strahlung im Linsenmaterial derart lang wird, dass sich nicht mehr akzeptable Werte für die Absorption der Röntgenstrahlung im Linsenmaterial ergeben. Nach dem Stand der Technik wird dieser Problematik dadurch begegnet, dass das optische Element aus einer Mehrzahl von optischen Teilelementen mit brechenden Flächen gebildet wird, von denen sich im Randbereich des optischen Elementes, also in den von der optischen Achse des optischen Elementes weiter beabstandeten Bereichen, mehr im Weg der zu brechenden Strahlung befinden und von dieser passiert werden als in der Nähe der optischen Achse. Auf diese Weise wird eine stärkere Brechung der Strahlung im Randbereich erzielt und das optische Element erzielt eine fokussierende Wirkung. So wird beispielsweise in Jark, W. et al „Focusing X-rays with simple arrays of prism-like structures", Journal of Synchrotron Radiation, 2004, 11, 248-253 eine sogenannte Clessidra-Linse vorgestellt, die eine Vielzahl von insgesamt in der Art einer Sanduhr angeordneten Einzelprismen aufweist. Die Sanduhrform ergibt sich dabei durch die bereits erwähnte Anordnung der Mehrzahl der Prismen in den von der optischen Achse weiter entfernt liegenden Bereichen. Nachteilig hierbei sind jedoch die aufwändige Herstellung des optischen Elementes sowie die Einschränkung, mit einem der optischen Elemente lediglich einen Linienfokus und keinen Punktfokus erzeugen zu können. Zwar lässt sich durch die Kombination mehrerer gegeneinander verdrehter Clessidra-Linsen ein Punktfokus erzeugen, dies geht jedoch zu Lasten der Transmittivität der Gesamtanordnung .

Ausgehend von dem Stand der Technik stellt sich die Erfindung die Aufgabe, ein refraktives optisches Element anzugeben, das einfach herstellbar ist, sowie ferner eine möglichst gute Transmittivität mit der Option, einen Linienfokus und eine große Apertur zu realisieren, aufweist. Daneben stellt sich die

Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Elementes anzugeben.

Diese Aufgaben werden durch das Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie das optische Element mit den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen und Varianten der

Erfindung .

Das erfindungsgemäße refraktive optische Element weist eine Mehrzahl optischer Teilelemente auf, wobei die optischen Teilelemente derart angeordnet sind, dass die Anzahl der optischen Teilelemente, die von elektromagnetischer Strahlung, welche auf das optische Element parallel zur optischen Achse des optischen Elementes einfällt, passiert werden, mit steigendem Abstand zur optischen Achse ebenfalls ansteigt. Erfindungsgemäß sind dabei die optischen Teilelemente insbesondere rotations-symmetrisch um die optische Achse herum gekrümmt ausgebildet.

So können die optischen Teilelemente bspw. als ringförmige Elemente mit unterschiedlichen Radien und einem dreiecksförmigen Querschnitt (Ringprismen) ausgebildet sein, die konzentrisch um die optische Achse auf einander gestapelt angeordnet und miteinander verbunden sind. Dabei ist mit zunehmendem Radius eine steigende Anzahl von derartigen Ringprismen vorhanden, so dass sich bei entsprechender Stapelung der Ringprismen im Ergebnis ein um die optische Achse rotationssymmetrisches optisches Element in der Form einer Sanduhr ergibt. Auf diese Weise lässt sich ein refraktives optisches Element mit einem Punktfokus realisieren, mit dem sich prinzipbedingt eine große Apertur sowie eine vergleichsweise hohe Transmittivität erreichen lassen. Besonders geeignet ist das oben beschriebene optische Element für die Anwendung im Röntgenbereich.

Bei entsprechender Material- und Geometriewahl ist auch eine Anwendung in einer Vielzahl von weiteren Wellenlängenbereichen denkbar .

In einer fertigungstechnisch besonders vorteilhaften Variante der Erfindung sind die optischen Teilelemente auf einem Trägerelement angeordnet, das um die optische Achse aufgewickelt ist. Auch hier kann es sich bei den optischen Teilelementen mindestens teilweise um prismenartige Körper handeln. Die optischen Teilelemente und das Trägerelement können einstückig ausgebildet sein. Durch diese Ausführungsform eröffnet sich die Möglichkeit, zur Herstellung des erfindungsgemäßen optischen Elementes zunächst eine Folie bspw. aus einem Polyimid, einem thermoplasti- sehen Kunststoff oder einem Epoxidharz herzustellen, auf der die optischen Teilelemente bereits eingeformt sind. Es wird also ein Trägerelement hergestellt, das eine Vielzahl insbesondere parallel verlaufender Prismen aufweist. Dies kann durch eine Abformung von einer mit Methoden der Photolithographie, gegebenenfalls in Verbindung mit weiteren Strukturierungsverfahren, wie beispielsweise Ätzverfahren, hergestellten Negativform erfolgen; auch andere Strukturierungsverfahren sind denkbar. Ein exemplarisches Verfahren ist anhand der Zeichnung beschrieben. Nach der Herstellung des Trägerkörpers mit den Prismen als optischen Teilelementen wird der Trägerkörper in der Weise zugeschnitten, dass er eine trapezförmige oder auch spitze, vorzugsweise spiegelsymmetrische Struktur mit einer im Vergleich zu ihrer Länge vergleichsweise kurzen Grundseite bildet. Die Spitze der Struktur kann dabei auf der Symmetrieachse liegen und die Prismen verlaufen parallel zur Symmetrieachse in einer zur Grundseite senkrechten Richtung. Nachfolgend wird das Trägerelement mit den Prismen in Richtung der Prismen von der Spitze bzw. der kurzen Seite der Struktur her aufgerollt so dass sich die gewünschte Form des erfindungsgemäßen optischen Elementes praktisch von selbst ergibt. Zur Unterstützung des Aufrollvorganges kann ein zylindrischer Körper, insbesondere eine Glasfaser, bspw. mit einem Durchmesser von ca. 125 μm verwendet werden, um welche herum das Trägerelement aufgewickelt wird. Der Vorteil der Verwendung der Glasfaser liegt dabei in ihrer vergleichsweise hohen mechanischen Stabilität. Der Durchmesser des zylindrischen Körpers kann dabei ohne wesentliche Verschlechterung der optischen Eigenschaften des optischen Elementes bis in den Bereich des Durchmessers des gewünschten Fokus gewählt werden. Daneben ist durch das geschilderte Verfahren die maximal erreichbare Apertur der erfindungsgemäßen optischen Elemente nicht verfahrensbedingt eingeschränkt. Die Anordnung aus Trägerelement und optischen Teilelementen kann dabei vor dem Aufwickeln eine Gesamtdicke von 5 μm bis 50 μm vorzugsweise 8 μm bis 14 μm, besonders bevorzugt ca. 12 μm aufweisen, wobei das Trägerelement selbst eine Dicke von 1 μm bis 5 μm, vorzugsweise 1 μm bis 1,5 μm, besonders bevorzugt ca. 1,3 μm aufweist. Grundsätzlich ist das Trägerelement so dünn wie unter Stabilitätsaspekten noch vertretbar zu wählen. Insgesamt ist es vorteilhaft, wenn bei möglichst kleinen optischen Teilelementen das Trägerelement dünn gegenüber den Dimensionen der optischen Teilelemente ausgebildet ist. Das Trägerelement wirkt als planparallele Platte und somit für achsenparallele Strahlen nicht brechend. Da bereits ein vergleichsweise dünnes Trägerelement die erforderliche mechanische Stabilisierung leistet, kann auch die Gesamtabsorption durch das Trägerelement gering gehalten werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines refraktiven optischen Elementes, weist die folgenden Schritte auf:

- Herstellen einer Negativform aus einem anisotrop geätzten

Substrat, insbesondere einem Si-Wafer,

- Abformen einer strukturierten Kunststofffolie von der Negativform,

- Erzeugen des refraktiven optischen Elementes durch Aufwickeln der strukturierten Folie.

Wie bereits erwähnt, muss es sich bei dem Wafer nicht zwingend um einen Si-Wafer handeln, auch die Verwendung von Substraten aus anderen Materialien ist denkbar. Dabei ist es von Vorteil, wenn das Substrat aus einem Einkristall hergestellt wurde und es in der Kristallrichtung so orientiert ist, dass sich durch den Ätzprozess trapez- bzw. dreiecksförmige Strukturen ergeben. Der Abformschritt kann die folgenden Schritte umfassen:

- Aufbringen eines Kunststoffes auf die Negativform,

- Aushärten des Kunststoffes,

- Erzeugen einer strukturierten Folie durch Ablösen des

Kunststoffes .

Vor dem Abformen kann eine Trennschicht auf die Negativform aufgebracht werden, die bspw. Gold, Teflon oder HMDS enthalten kann .

Eine gewünschte Schichtdicke kann durch Abschleudern, Rakeln oder Aufpressen einer Platte oder eines Werkzeuges eingestellt werden .

Vor dem Ablösen des Kunststoffes von der Negativform kann auf diesen eine Trägerfolie aufgebracht werden.

Alternativ kann das Abformen auch dadurch erfolgen, dass mittels einer strukturierten Walze in eine dünne Schicht Kunststoff die gewünschten Strukturen eingewalzt werden.

Eine Polymerisation eines Kunststoffpräkursors kann dabei während des Walzens erfolgen.

Es ist ebenso denkbar, dass die Strukturen durch Walzen in einen thermoplastischen Kunststoff eingeprägt werden. Nachfolgend wird die Erfindung exemplarisch anhand der Zeichnung beschrieben .

Es zeigt:

Fig. 1 eine Röntgenlinse nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine Modifikation der in Figur 1 gezeigten Linse, bei der nicht zur Brechung beitragende Materialbereiche weggelassen wurden,

Fig. 3 eine Detaildarstellung zu Figur 2,

Fig. 4 eine optisch gleich wirkende Alternative zu dem in

Figur 3 gezeigten Element,

Fig. 5 eine Schnittdarstellung eines Trägerkörpers mit optischen Teilelementen,

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht des in der Schnittdarstellung von Figur 5 dargestellten Trägerkörpers mit optischen Elementen,

Fig. 7 eine Skizze eines erfindungsgemäßen optischen

Elementes .

Fig. 8 ein exemplarisches Verfahren zur Herstellung einer

Negativform und einer strukturierten Folie als Zwischenprodukt zur Herstellung eines erfindungsgemäßen optischen Elementes; und

Fig. 9 übersichtsartig eine Auswahl verschiedener

Prozessvarianten zur Erzeugung der Negativform.

Fig. 1 zeigt in einer Schnittdarstellung eine Röntgenlinse 1 nach dem Stand der Technik. Da das Linsenmaterial, beispielsweise Si, B, Be, für Röntgenwellenlängen einen Brechungsindex < 1 aufweist, ist für diesen Fall die Sammellinse als Konkavlinse ausgebildet. Die optische Wirkung der in Fig. 1 gezeigten Linse kann alternativ auch - analog zum bekannten Vorgehen für

Fresnel-Linsen - dadurch erreicht werden, dass die nicht zur Brechung beitragenden Teile des Materials aus der Linse entfernt und die verbleibenden gekrümmten Randbereiche der Linse zusammengeschoben werden, wie in Fig. 2 dargestellt.

Fig. 2 zeigt in ihrem oberen Bereich den Zustand nach dem schichtweisen Entfernen des nicht zur Brechung beitragenden Materials. Der untere Teil von Fig. 2 zeigt den Fall, in dem die verbleibenden Stücke in der zur optischen Achse parallelen Richtung zusammengeschoben wurden. Gut erkennbar in Fig. 2 ist, dass die so entstandenen optischen Fresnel-Linsenelemente 2 besonders im Randbereich der Röntgenlinse aufgrund der im Röntgen-bereich erforderlichen extremen Krümmung der Linsen ein sehr geringes Verhältnis von Höhe zu Länge zeigen, was die Herstel-lung der auch als Lamellen bezeichneten Fresnel-Linsenelemente 2 für den Randbereich erschwert. Zur Illustration ist in Figur 3 ein derartiges Fresnel-Linsenelement aus dem Randbereich der Röntgenlinse 1 noch einmal vergrößert dargestellt. Fig. 4 nun zeigt eine Anordnung, die optisch eine ähnliche

Wirkung wie das in Fig. 3 dargestellte Fresnel-Linsenelement hat, jedoch erheblich einfacher herzustellen ist. Die in Fig. 4 exemplarisch dargestellte Lösung zeigt ebenfalls wie auch die vorhergegangenen Figuren in einer Querschnittsdarstellung drei gleichartige optische Teilelemente 3, die im vorliegenden Fall als Prismen ausgebildet sind. Die Summe der optischen Wirkung der in Figur 4 gezeigten Prismen entspricht im Wesentlichen der optischen Wirkung des in Fig. 3 dargestellten Fresnel-Linsen- elements 2.

Fig. 5 zeigt ebenfalls in einer Querschnittsdarstellung einen Trägerkörper 4 zur Herstellung des erfindungsgemäßen optischen Elementes, auf dem die optischen Teilelemente 3, welche im vorliegenden Fall als Prismen mit dreieckigem Querschnitt ausgebildet sind, angeordnet sind. Dabei kann der Trägerkörper 4 mit den optischen Teilelementen 3 einstückig insbesondere aus

Polyimid hergestellt sein. Der Trägerkörper 4 zeigt eine Dicke von ca. 1,3 μm; die Höhe der optischen Teilelemente 3 kann ca. 10,7 μm betragen.

In Fig. 6 ist die erfindungsgemäße Struktur noch einmal in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Gut erkennbar in Fig. 6 ist die Ausführung als Folie, die eine spitze, spiegelsymmetrische Struktur mit einer im Vergleich zu ihrer Höhe vergleichsweise kurzen Grundseite bildet. Wenn auch die Darstellung in Figur 6 den Eindruck eines gleichschenkligen Dreieckes erweckt, wird die Form der Seiten und damit die Kontur des Folienzuschnitts - in Abhängigkeit der gewünschten Oberflächenfunktion der fertigen Linse - von der Form einer Geraden abweichen.

Allgemein lässt sich der Zusammenhang zwischen der Kontur des Folienzuschnitts und der Oberflächenfunktion der fertigen Linse im Längsschnitt darstellen wie folgt:

mit :

_/. : Kontur des Folienzuschnitts

fiκ(x) : Gewünschte Oberflächenfunktion der Linse, x in Richtung optischer Achse

d_j '. Foliendicke

Rollt man nun diese Folie von der Spitze der Struktur her auf, ergibt sich die in Fig. 7 dargestellte Röntgenrolllinse 5 als aufgewickelter, nahezu rotationssymmetrischer Körper. Gut erkennbar in Fig. 7 ist, dass die Randstrahlen durch die Röntgenrolllinse 5 stärker abgelenkt werden als diejenige, die im

Bereich der optischen Achse verlaufen, da im Randbereich der

Röntgenrolllinse 5 mehr optische Teilelemente 3 vorhanden sind als im Bereich der optischen Achse der Röntgenrolllinse 5. Für die Verwendung der gezeigten Rolllinse 5 für Wellenlängen, für die der Brechungsindex des verwendeten Materials über 1 liegt, muss die Folie von der Spitze ausgehend so aufgewickelt werden, dass die Prismen nicht wie in Fig. 7 gezeigt nach innen, sondern nach außen zeigen.

Die in Fig. 7 gezeigte Röntgenrolllinse 5 zeigt im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Clessidra-Linsen keinen Linienfokus, sondern einen Punktfokus, was ihre Verwendbarkeit für eine Vielzahl von Anwendungen eröffnet. Die in Fig. 7 gezeigte Röntgenrolllinse 5 hat darüber hinaus das Potenzial für eine gegenüber konventionellen Linsen größere Apertur. Daneben ist die gezeigte Röntgenrolllinse 5 einfach herzustellen und aufgrund der Struktur der Linse wird die Absorption im Linsenmaterial gegenüber einer Volllinse erheblich reduziert.

Fig. 8 zeigt beispielhaft in den Teilfiguren 8.1 bis 8.17 ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Röntgenrolllinse 5. Dabei wird in den Teilfiguren im linken Teil der jeweiligen Teilfigur schematisch der Schichtverlauf dargestellt, wohingegen im rechten Teil der Teilfigur auch die Struktur des entstandenen Zwischenproduktes gezeigt ist.

In Fig. 8.1 ist als Ausgangsmaterial ein oxidierter 100- Siliziumwafer dargestellt. Fig. 8.2 zeigt das Zwischenprodukt nach der Bedampfung mit einer Chromschicht; Fig. 8.3 zeigt den Zustand nach dem Aufschleudern von Positivresist . Wie in Fig. 8.4 dargestellt, erfolgt anschließend eine Belichtung durch eine Chrommaske und ein Entwickeln der belichteten Resistschicht . Das Ergebnis ist in Fig. 8.5 dargestellt. Nachfolgend wird die

Chromschicht mittels der Resistschicht als Ätzmaske geätzt, so dass sich die in Fig. 8.6 dargestellte Struktur bildet. Fig. 8.7 zeigt den Zustand, nachdem die Resistschicht mittels Flutbelichtung und nachfolgender Entwicklung gestrippt wurde. Nunmehr kann die verbliebene Chromschicht als Ätzmaske verwendet werden, so dass die Oxidschicht teilweise von dem Siliziumwafer entfernt werden kann, was in Fig. 8.8 dargestellt ist. Die verbliebene Chromschicht wird nachfolgend durch Ätzen entfernt bzw. gestrippt, so dass sich die in Fig. 8.9 dargestellte Schichtenfolge ergibt. Nachfolgend wird der Wafer anisotrop geätzt, so dass sich in der Siliziumschicht Gräben mit dreieckigem Profil bilden, was in Fig. 8.10 erkennbar ist. Im nächsten Schritt kann die verbliebene Oxidschicht durch einen weiteren Ätzvorgang entfernt werden, wodurch sich die in Fig. 8.11 gezeigte Struktur als Negativform bildet. Die in den vorstehend beschriebenen

Schritten hergestellte Negativform kann zur Abformung der gewünschten Struktur mehrfach in der nachfolgend beschriebenen Weise verwendet werden. Zunächst wird als Trennschicht eine

Goldschicht aufgebracht, wie aus Fig. 8.12 erkennbar ist; die Goldschicht kann dabei aufgedampft oder aufgesputtert werden. Zur Verminderung der Haftung des Goldes auf der Negativform kann der Wafer vor dem Aufbringen trocken oder feucht oxidiert werden .

Eine Alternative zu Gold als Trennschicht besteht in der Verwendung von Teflon (Polytetrafluorethylen) , das auf die Negativform mittels eines CVD-Prozesses aufgebracht werden kann.

Daneben besteht die Möglichkeit, sich die Tatsache zunutze zu machen, dass HMDS (Hexamethyldisilazan) für bestimmte Stoffe nicht als Haftvermittler, sondern als Trennschicht wirkt. Durch das Aufbringen vom HMDS auf den nicht oxidierten Wafer kann somit ebenfalls eine Trennschicht erzeugt werden. Als nächster Schritt wird Polyimid auf die Struktur aufgetropft und nachfolgend werden überflüssige Anteile des Polyimids abgeschleudert, wodurch die gewünschte Schichtdicke eingestellt werden kann (in Fig. 8.13 und 8.14 gezeigt) . Anstatt Polyimid kann - insbesondere für eine Anwendung des optischen Elementes im Röntgenbe- reich - auch ein anderer röntgenstabiler Kunststoff wie z. B. SU-8 des Herstellers Microchem Corp. verwendet werden.

In einer Variante der Erfindung kann auch ein thermoplastischer Kunststoff mit der Negativform geprägt werden. Die Schichtdicke kann auch durch Rakeln oder durch das Aufpressen einer Platte oder eines weiteren Werkzeuges eingestellt werden. Dabei ist die Schicht so dünn zu wählen, dass sie bei minimalem optischen Einfluss der Gesamtstruktur noch eine hinreichende Stabilität verleiht. Nach einem Aushärtevorgang der Polyimidschicht durch Prebake, Belichtung und Postbake (Fig. 8.15) kann im Fall der Verwendung einer Goldtrennschicht der Verbund aus Polyimid und Gold abgelöst werden (Fig. 8.16) und die Goldtrennschicht durch Ätzen entfernt werden, so dass sich das in Fig. 8.17 dargestellte Zwischenprodukt, nämlich die

Polyimidfolie als Trägerelement mit den einstückig angeformten Prismen als optischen Teilelementen ergibt.

Abhängig von dem verwendeten Kunststoff und der verwendeten Trennschicht (falls erforderlich) sind auch alternative Verfahrensschritte möglich. So kann bei der Verwendung eines

Kunststoffes ohne photoaktive, aber ggf. mit thermisch aktivierbarer Komponente auf die Belichtung verzichtet werden und lediglich eine thermische Behandlung (Ausbacken) vorgenommen werden .

Zum mechanischen Schutz der Folie während des Abziehens von der Negativform kann vor dem Ablösen zusätzlich eine Trägerfolie aufgeklebt werden und nachfolgend der Verbund aus Trägerfolie und strukturierter Folie abgelöst werden. Nachfolgend kann dann die Trägerfolie ggf. unter Wärmeeinfluss von der strukturierten Folie abgelöst werden.

Die in Fig. 8.17 gezeigte Struktur kann nun aufgewickelt werden, wozu beispielsweise nach einem Zuschnitt, durch welchen sich die in Fig. 6 gezeigte Struktur ergibt, auf eine Glasfaser mit einem Durchmesser von ca. 125 μm aufgewickelt wird. Eine Stabilisierung der so entstandenen Rolllinse kann mittels Klebeband oder anderer Methoden erfolgen. Für die Verwendung der Rolllinsen für andere Wellenlängenbereiche als den Röntgenbereich kommen auch andere Materialien in Frage.

Alternativ kann die strukturierte Folie auch mittels eines sogenannten "RoIl-On" Prozesses hergestellt werden. Hierbei werden mittels einer strukturierten Walze in eine dünne Schicht Kunststoff oder Kunststoffpräkursor die gewünschten Strukturen eingewalzt. Die strukturierte Walze kann dabei bspw. aus einem sehr dünnen anisotrop geätzten Si-Wafer bestehen, der auf ein walzenförmiges Element aufgeklebt ist. Die Polymerisation des Kunststoffpräkursors kann während des Walzens erfolgen; alternativ kann die Struktur auch durch das Walzen in thermoplastischen Kunststoff eingeprägt werden.

Figur 9 zeigt übersichtsartig eine Auswahl verschiedener

Prozessvarianten zur Erzeugung der Negativform. Der in den Teilfiguren 8.1 bis 8.11 dargestellte Prozess ist in Figur 9 als ein mögliches Beispiel enthalten.

Als Ausgangsmaterial dienen im vorliegenden Beispiel

Siliziumwafer mit einer Oxid- oder Nitridschicht. Für die

Oxidierung der Si-Wafer stehen unterschiedliche Methoden zur Verfügung:

- Trockenchemische Oxidation:

Dabei werden die Wafer bei Temperaturen bei ca. 1000⁰C unter Sauerstoffatmosphäre oxidiert. Je nach Temperatur wächst das Oxid auf dem Wafer auf (höhere Temperaturen schneller) . Die Aufwachsrate beträgt bei 1000⁰C ca. 50 nm/h. Diese Methode zeigt damit eine geringe Aufwachsrate bei einer hohen Dichte der abgeschiedenen Oxidschicht.

- Nasschemische Oxidation:

Bei der nasschemischen Oxidation wird Sauerstoff durch ein

Wasserbad geleitet. Die so erhaltene mit Wasserdampf

angereicherte Atmosphäre wird nachfolgend über den Wafer

geleitet. Die Aufwachsrate beträgt hier bei 1000⁰C ca. 400 nm/h; allerdings ist die Dichte der abgeschiedenen Oxidschicht in diesem Fall geringer als bei der trockenchemischen Oxidation.

- H2O2 Verbrennung:

Die erforderlichen Synthesegase werden getrennt zu dem Wafer geleitet und an der Eintrittsöffnung verbrannt. Diese Variante ermöglicht das Aufwachsen dünner und dicker Schichten bei geringeren Temperaturen und damit geringerer thermischer

Belastung der Wafer.

Zur Herstellung der Mitridschicht auf den Wafern gibt es

ebenfalls eine Vielzahl von Möglichkeiten:

- Nitridisierung des Si (mit N2/NH4/N2H4 bei -1100° C),

- Nitridisierung des SiQ₂ (mit NH₂ bei -HOO⁰C),

- CVD,

- Reactive sputtering,

- Ionenimplantation.

Zur Herstellung der durch anisotropes Ätzen hergestellten

Graibenstrukturen der Negativform wird die SiO₂ bzw. Si₂N₄

Schicht als Ätzmaske verwendet. Um die Schicht zu strukturieren, gibt es verschiedene Möglichkeiten: - Nasschemische Strukturierung der SiO2 bzw. Si2N4 Schicht:

Um die SiO2 Schicht nasschemisch zu strukturieren, wird eine Ätzmaske auf der Schicht benötigt. Hierzu gibt es insbesondere die folgenden beiden Möglichkeiten:

- Maske aus einem Photoresist:

In diesem Fall wird auf den Wafer eine Schicht eines Photo- resists aufgebracht. Danach wird der Photoresist durch Belichtung durch eine (Chrom-) Maske strukturiert. Darauf folgt ein Entwicklungsschritt, der je nach verwendetem Resist (positiv oder negativ) entweder die belichteten oder unbelichteten

Bereiche herauslöst.

- Maske aus Chrom:

Hier wird auf dem Wafer zunächst die Chromschicht aufgedampft. Auf diese Schicht wird dann eine Photoresist-Schicht aufgebracht. Diese Schicht wird dann belichtet und entwickelt. Das freigelegte Chrom wird dann mit Chromätze geätzt. Danach wird der restliche Photoresist gelöst. Um die Siθ2 Schicht nach dem Aufbringen der Maske nasschemisch zu strukturieren, wird Flusssäure (HF) bzw. gepufferte Flusssäure (BOE) verwendet. Der Wafer wird zum Ätzen in die Flusssäure gelegt.

- Trockenchemische Strukturierung der Siθ2 bzw. Si2N₄ Schicht: Soll die Siθ2 Schicht trockenchemisch geätzt werden, wird zunächst eine Maske auf der Schicht benötigt. Diese besteht aus Photoresist, welcher auf die Schicht aufgebracht, belichtet und dann entwickelt wird. Danach kann eines der nachfolgend aufgeführten Trockenätzverfahren zur Anwendung kommen, die anhand der Art des Angriffs auf den zu ätzenden Werkstoff unterschieden werden in:

- Chemischer Angriff (Plasmaätzen) bspw. unter Einwirkung von CF₄, SF₆ oder NF_3,

- Physikalischer Angriff (Sputterätzen) bspw. unter Verwendung von Ionen wie z. B. Ar Ionen (hohe Masse),

- Chemischer + physikalischer Angriff (Reaktives Ionenätzen (RIE) und Reaktives Ionenstrahlätzen (RIBE) ) unter Einwirkung eines Gemisches aus Ionen und reaktivem Gas.

Eine nasschemische isotrope Strukturierung der Si2N₄-Schicht kann mittels Flusssäure (HF) , gepufferter Flusssäure (BOE) oder

Phosphorsäure (H₃PO₄) vorgenommen werden. Alternativ kann eine trockenchemische Strukturierung der Si2N₄-Schicht unter Verwendung von CF₄ oder CHF₃ erfolgen.

Zur Herstellung der gewünschten Grabenstrukturen in der

Negativform wird der Wafer anisotrop geätzt, wodurch

insbesondere die erforderliche geringe Oberflächenrauheit der Negativform erreicht werden kann. Verwendbare Basen sind

- Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) ,

- Kali-, Natron- oder Lithiumlauge (KOH, NaOH, LiOH, )

- Gemisch aus Wasser, Pyrazin, Brenzkatechin und Ethylendiamin (EDP) .

Abschließend wird die Ätzmaske durch selektives Ätzen vom Wafer entfernt, was entweder durch HF, BOE, oder durch Trockenätzen erreicht werden kann.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Verfahren zur Herstellung eines refraktiven optischen

Elementes (5), mit den folgenden Schritten

- Herstellen einer Negativform aus einem anisotrop geätzten Substrat, insbesondere einem Si-Wafer,

- Abformen einer strukturierten Kunststofffolie von der

Negativform,

- Erzeugen des refraktiven optischen Elementes durch

Aufwickeln der strukturierten Folie.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abformschritt die folgenden Schritte umfasst:

- Aufbringen eines Kunststoffes auf die Negativform,

- Aushärten des Kunststoffes,

- Erzeugen einer strukturierten Folie durch Ablösen des

Kunststoffes .

3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Abformen eine

Trennschicht auf die Negativform aufgebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht Gold, Teflon oder HMDS enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine gewünschte Schichtdicke durch Abschleudern, Rakeln oder Aufpressen einer Platte oder eines Werkzeuges eingestellt wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Ablösen des Kunststoffes auf diesen eine Trägerfolie aufgebracht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abformen dadurch erfolgt, dass mittels einer strukturierten Walze in eine dünne Schicht Kunststoff die gewünschten Strukturen eingewalzt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Polymerisation eines Kunststoffpräkursors während des Walzens erfolgt .

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen durch Walzen in einen thermoplastischen Kunststoff eingeprägt werden.

10. Refraktives optisches Element (5) mit einer Mehrzahl

optischer Teilelemente (3), wobei die optischen Teilelemente (3) derart angeordnet sind, dass die Anzahl der optischen Teilelemente (3), die von elektromagnetischer Strahlung, welche auf das optische Element (5) parallel zur optischen Achse des optischen Elementes (5) einfällt, passiert werden, mit steigendem Abstand zur optischen Achse ebenfalls ansteigt, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Teilelemente (3) um die optische Achse gekrümmt ausgebildet sind.

11. Refraktives optisches Element (5) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Teilelemente (3)

rotationssymmetrisch bezüglich der optischen Achse

ausgebildet sind.

12. Refraktives optisches Element (5) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Teilelemente (3) auf einem Trägerelement (4) angeordnet sind, das um die optische Achse aufgewickelt ist.

13. Refraktives optisches Element (5) nach einem der vorangehenden Ansprüche 10-12, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Teilelemente (3) mindestens teilweise eine prismenartige Form zeigen.

14. Refraktives optisches Element (5) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Teilelemente (3) und das Trägerelement (4) einstückig ausgebildet sind.

15. Refraktives optisches Element (5) nach einem der Ansprüche 12-14, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Teilelemente (3) und das Trägerelement (4) aus einem Polyimid, einem thermoplastischen Kunststoff oder einem Epoxidharz ausgebildet sind.

16. Refraktives optisches Element (5) nach einem der Ansprüche 12-15, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung aus

Trägerelement (4) und optischen Teilelementen (3) eine

Gesamtdicke von 5 μm bis 50 μm vorzugsweise 8 μm bis 14 μm aufweist .

17. Refraktives optisches Element (5) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (4) eine Dicke von

1 μm bis 5 μm, vorzugsweise 1 μm bis 1,5 μm aufweist.

18. Refraktives optisches Element (5) nach einem der Ansprüche 12-17, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (4) auf einem zylindrischen Körper, insbesondere einer Glasfaser, aufgewickelt ist.

19. Refraktives optisches Element (5) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Körper einen Durchmesser von ca. 125 μm aufweist.