DE102005049280A1 - Nano-structure producing method for e.g. raster electron microscope-receiver of hologram, involves applying carrier layer on substrate surface and producing nano-structure at surface with etching process using carrier layer as etching mask - Google Patents

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Hans Jörg Dr. Fuchs
Norbert Dr. Kaiser
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Abstract

The method involves applying a structured carrier layer (2) e.g. metal layer, on a surface of a substrate (1), and applying an isle-shaped layer e.g. gold layer (3), on the carrier layer. The carrier layer is structured with an etching process using the isle-shaped layer as an etching mask. A nano-structure is produced at the surface of the substrate with another etching process using the structured carrier layer as the etching mask. Independent claims are also included for the following: (1) an optical unit having a nano-structure (2) a hologram having nano-structured surface.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Nanostruktur und ein optisches Element, das an einer Oberfläche eine nanostrukturierte Oberfläche aufweist.The The invention relates to a method for producing a nanostructure and an optical element having a nanostructured surface on a surface.

Nanostrukturen werden in der Regel unter Verwendung lithographischer Verfahren wie zum Beispiel Elektronenstrahllithographie, Röntgenlithographie oder Interferenzstrahllithographie hergestellt. Durch die Verwendung immer kürzerer Wellenlängen können Strukturgrößen von weniger als 100 nm realisiert werden. Derartige Lithographieverfahren basieren auf der Strukturierung eines Fotolacks mittels Belichtung und Entwicklung und einer nachfolgenden Übertragung der Struktur in die zu strukturierende Oberfläche mittels eines Ätzverfahrens.nanostructures are usually using lithographic methods such as electron beam lithography, X-ray lithography or interference beam lithography produced. By using ever shorter wavelengths, feature sizes of be realized less than 100 nm. Such lithography method are based on the structuring of a photoresist by means of exposure and development and subsequent transfer of the structure into the surface to be structured by means of an etching process.

Insbesondere bei Lithographieverfahren, bei denen eine serielle Belichtung erfolgt, wie zum Beispiel bei der Elektronenstrahllithographie, ist dies mit einem erheblichen Zeitaufwand verbunden. Derartige lithographische Verfahren werden aus diesem Grund in der Regel nur zur Strukturierung vergleichsweise kleiner Flächen eingesetzt.Especially in lithographic processes where serial exposure occurs, such as in electron beam lithography, this is associated with a considerable amount of time. Such lithographic Procedures are therefore usually only for structuring comparatively small areas used.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung einer Nanostruktur an einer Oberfläche eines Substrats anzugeben, das sich durch einen vergleichsweise geringen Herstellungsaufwand auszeichnet, die Strukturierung vergleichsweise großer Flächen ermöglicht und insbesondere auf optische Elemente aus Glas oder Kunststoff angewandt werden kann. Weiterhin soll ein optisches Element, insbesondere ein Hologramm, angegeben werden, das eine mit einem vergleichsweise geringen Herstellungsaufwand erzeugte Nanostruktur an einer Oberfläche aufweist.Of the Invention is based on the object, a method for generating indicate a nanostructure on a surface of a substrate, this is due to a comparatively low production cost characterized structuring comparatively large areas and be applied in particular to optical elements made of glass or plastic can. Furthermore, an optical element, in particular a hologram, be given, the one with a relatively low production cost produced nanostructure on a surface.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein optisches Element mit den Merkmalen des Patentanspruchs 18 und ein Hologramm gemäß Patentanspruch 22 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.These The object is achieved by a method having the features of the patent claim 1, an optical element having the features of claim 18 and a hologram according to claim 22 solved. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung einer Nanostruktur an einer Oberfläche eines Substrats wird eine Trägerschicht auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht. Nachfolgend wird eine inselförmige Schicht auf die Trägerschicht aufgebracht. Die inselförmige Schicht wird als Maskenschicht, insbesondere als Ätzmaske verwendet, um die Trägerschicht zu strukturieren. Bei einem weiteren Verfahrensschritt wird eine Nanostruktur an der Oberfläche des Substrats mit einem weiteren Ätzprozess erzeugt, wobei die strukturierte Trägerschicht als Maskenschicht verwendet wird.at a method according to the invention to produce a nanostructure on a surface of a substrate becomes a backing on the surface of the substrate applied. Below is an island-shaped layer on the carrier layer applied. The island-shaped Layer is used as a mask layer, in particular as an etching mask used to the backing layer to structure. In a further method step, a Nanostructure on the surface of the substrate produced by a further etching process, wherein the structured carrier layer as Mask layer is used.

Die Erzeugung der Nanostruktur beruht bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auf dem Abscheiden einer inselförmigen Schicht, deren Struktur zunächst in eine Trägerschicht, die als Träger für die inselförmige Schicht dient, und nachfolgend in das Substrat übertragen wird, wobei das Übertragen der Struktur vorzugsweise jeweils mittels eines Ätzprozesses erfolgt.The Generation of the nanostructure is based on the method according to the invention on the deposition of an island-shaped Layer, whose structure initially in a carrier layer, as a carrier for the island-shaped layer serves and is subsequently transferred to the substrate, wherein the transfer the structure is preferably carried out in each case by means of an etching process.

Unter einer inselförmigen Schicht wird im Rahmen der Anmeldung eine dünne Schicht verstanden, bei der die Abscheidung derart in einem Anfangsstadium des Schichtwachstums unterbrochen worden ist, dass die Phase der Koaleszenz noch nicht eingetreten ist. In diesem Anfangsstadium des Schichtwachstums haben sich inselförmige Bereiche aus dem Material der inselförmigen Schicht auf der Oberfläche der Trägerschicht ausgebildet, die vorteilhaft aber noch nicht zu einer kontinuierlichen Schicht zusammengewachsen sind.Under an island-shaped Layer is understood in the context of the application a thin layer, in the deposition in such an initial stage of the layer growth has been interrupted that the phase of coalescence is not yet occurred. In this initial stage of layer growth have island-shaped Areas of the material of the island-like layer on the surface of the backing formed, but not advantageous to a continuous Layer grown together.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die inselförmige Schicht nicht unmittelbar auf das Substrat aufgebracht wird, sondern auf eine zuvor auf das Substrat aufgebrachte Trägerschicht. Es hat sich herausgestellt, dass die Ausbildung von Inseln beim Wachstum der inselförmigen Schicht bei einem unmittelbaren Aufbringen auf das Substrat abhängig von dem Material des Substrats sehr unterschiedlich verläuft. In diesem Fall müssten daher die Prozessparameter für das Aufbringen der inselförmigen Schicht für verschiedene Substratmaterialien jeweils separat optimiert werden, um zum Beispiel eine gewünschte Größenverteilung der Inseln der inselförmigen Schicht zu erzielen.One Advantage of the method according to the invention is that the island-shaped Layer is not applied directly to the substrate, but on a previously applied to the substrate carrier layer. It turned out that the formation of islands in the growth of the island-shaped layer upon direct application to the substrate depending on the material of the substrate is very different. In this case would have therefore the process parameters for the application of the island-shaped Layer for different substrate materials are optimized separately for example, a desired one size distribution the islands of the island To achieve a shift.

Im Gegensatz dazu können die Prozessparameter für das Aufbringen der inselförmigen Schicht auf eine Trägerschicht bei dem erfindungsgemäßen Verfahren für ein gegebenes Trägerschichtmaterial optimiert werden, so dass auf diesem Trägerschichtmaterial eine gewünschte inselförmige Schicht mit den gleichen Prozessparametern auf Substraten aus verschiedenen Materialien erzeugt werden kann.in the Contrary to this the process parameters for the application of the island-shaped Layer on a carrier layer in the method according to the invention for a given carrier layer material optimized so that on this backing material a desired one insular Layer with the same process parameters on substrates from different Materials can be produced.

Das Substrat ist vorzugsweise aus einem transparenten Material gebildet. Das Substrat kann insbesondere ein Kunststoffsubstrat oder ein Glassubstrat, zum Beispiel aus Quarzglas, sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Substrat ein optisches Element, zum Beispiel eine Linse.The Substrate is preferably formed of a transparent material. The substrate may in particular be a plastic substrate or a glass substrate, for example, made of quartz glass, his. In a preferred embodiment For example, the substrate is an optical element, for example, a lens.

Für die Trägerschicht und die inselförmige Schicht werden vorteilhaft verschiedene Materialien verwendet, vorzugsweise Metalle. Die Trägerschicht besteht vorzugsweise aus einem Material, das eine hohe Ätzselektivität gegenüber dem Substrat aufweist, insbesondere gegenüber einem zur Herstellung optischer Elemente geeigneten transparenten Substrat aus Glas oder Kunststoff. Als Trägerschicht ist insbesondere eine Metallschicht geeignet, die vorteilhaft Chrom enthält. Eine Chromschicht als Trägerschicht ist insbesondere zur Erzeugung einer Nanostruktur auf einem Substrat aus einem Glas, zum Beispiel Quarzglas, geeignet.For the carrier layer and the island-shaped layer, various materials are advantageously used, preferably metals. The carrier layer is preferably made of a material which has a high etch selectivity with respect to the substrate, in particular with respect to a transparent transparent to the production of optical elements Substrate made of glass or plastic. As a carrier layer in particular a metal layer is suitable, which advantageously contains chromium. A chromium layer as a carrier layer is particularly suitable for producing a nanostructure on a substrate made of a glass, for example quartz glass.

Die Trägerschicht weist bevorzugt eine Dicke zwischen einschließlich 10 nm und einschließlich 30 nm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 15 nm und einschließlich 25 nm, auf.The backing preferably has a thickness of between 10 nm and 30 nm inclusive, more preferably between 15 nm inclusive and 25 inclusive nm, up.

Das Material der inselförmigen Schicht kann bei der Erfindung vorteilhaft unabhängig vom Material der Trägerschicht derart gewählt werden, dass es zur Ausbildung von Inseln einer gewünschten Größe geeignet ist. Vorzugsweise ist die inselförmige Schicht eine Metallschicht. Im Gegensatz zur Trägerschicht wird für die inselförmige Schicht bevorzugt ein Metall verwendet, das einen vergleichsweise geringen Schmelzpunkt, wie zum Beispiel Gold, aufweist. Insbesondere wurde festgestellt, dass beim Aufwachsen eines Metalls mit einem vergleichsweise geringen Schmelzpunkt, wie beispielsweise Gold, im Vergleich zu einem Metall mit einem höheren Schmelzpunkt, wie zum Beispiel Chrom, Inseln mit vergleichsweise großen Durchmessern und Höhen ausgebildet werden.The Material of the island-shaped Layer can in the invention advantageously independent of the material of the carrier layer chosen like that be that it is for training islands of a desired Size suitable is. Preferably, the island-shaped layer a metal layer. In contrast to the carrier layer is for the island-shaped layer preferably uses a metal which has a comparatively low Melting point, such as gold, has. In particular was found that when growing a metal with a comparatively small amount Melting point, such as gold, compared to a metal with a higher melting point, such as chromium, islands with relatively large diameters and heights formed become.

Die Größen der Inseln der inselförmigen Schicht weisen in der Regel eine statistische Verteilung auf. Vorzugsweise weisen die Inseln der inselförmigen Schicht eine über alle Inseln gemittelte Höhe von 7 nm bis 15 nm auf. Eine über alle Inseln gemittelte laterale Abmessung der Inseln beträgt vorzugsweise zwischen 10 nm und 100 nm, besonders bevorzugt zwischen 40 nm und 60 nm. Da die Inseln in der Regel keine exakt kreisförmige Querschnittsfläche aufweisen, soll im Rahmen der Anmeldung unter einer lateralen Abmessung einer Insel eine Abmessung der Insel verstanden werden, die in der Schichtebene der inselförmigen Schicht über alle Raumrichtungen gemittelt ist.The Sizes of Islands of the island-like layer usually have a statistical distribution. Preferably the islands are the island-shaped Layer one over all islands averaged altitude from 7 nm to 15 nm. One over all islands averaged lateral dimension of the islands is preferably between 10 nm and 100 nm, more preferably between 40 nm and 60 nm. Since the islands usually have no exactly circular cross-sectional area, is in the context of the application under a lateral dimension of a Island a dimension of the island can be understood in the layer plane the island-shaped Layer over all spatial directions are averaged.

Das Aufbringen der Trägerschicht und/oder der inselförmigen Schicht erfolgt vorzugsweise durch ein Sputterverfahren, insbesondere durch Ionenstrahlsputtern oder DC-Magnetronsputtern. Beim Sputtern kann insbesondere Argon als Arbeitsgas verwendet werden. Die Größenverteilung der abgeschiedenen Inseln kann vorteilhaft durch den Druck des beim Sputtern verwendeten Arbeitsgases beeinflusst werden, wobei die Größen der Inseln mit zunehmendem Druck zunimmt. Vorzugsweise beträgt der Druck des Arbeitsgases bei dem Aufbringen der inselförmigen Schicht 0,1 mbar oder mehr.The Applying the carrier layer and / or the island-shaped Layer preferably takes place by a sputtering method, in particular by ion beam sputtering or DC magnetron sputtering. When sputtering can in particular argon can be used as working gas. The size distribution The deposited islands can be advantageous by the pressure of the Sputtering used working gases are influenced, the Sizes of Islands increase with increasing pressure. Preferably, the pressure is of the working gas in the application of the island-shaped layer 0.1 mbar or more.

Die Strukturierung der Trägerschicht, bei der die auf die Trägerschicht aufgebrachte inselförmige Schicht als Ätzmaske verwendet wird, erfolgt vorzugsweise mit reaktivem Ionenätzen (RIE). Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Material der Inselschicht eine hohe Ätzselektivität gegenüber dem Material der Trägerschicht aufweist. Vorteilhaft kann die Ätzselektivität über eine Variation des Druckes und der Zusammensetzung des beim Ionenätzen verwendeten Prozessgases variiert werden. Beispielsweise kann das Prozessgas Chlor und Sauerstoff enthalten. Durch den Ätzprozess wird die Inselstruktur der inselförmigen Schicht in die Trägerschicht übertragen.The Structuring of the carrier layer, at the on the carrier layer applied island-shaped layer as an etching mask is used, preferably with reactive ion etching (RIE). It is advantageous if the material of the island layer has a high Ätzselektivität over the Material of the carrier layer having. Advantageously, the etch selectivity over a Variation of pressure and composition of ion etching used Process gas can be varied. For example, the process gas Contain chlorine and oxygen. The etching process turns the island structure the island-shaped Transfer layer into the carrier layer.

Die bei dem zuvor beschriebenen ersten Ätzprozess strukturierte Trägerschicht wird nachfolgend bei einem zweiten Ätzprozess als Ätzmaske zur Strukturierung des Substrats verwendet. Der zweite Ätzprozess erfolgt vorzugsweise mit einem reaktiven Ionenätzverfahren, insbesondere in einem induktiv erzeugten Plasma (ICP, Inductively Coupled Plasma). Mit diesem Verfahren lassen sich vorteilhaft hohe Ätzraten bei vergleichsweise geringer Ionenenergie erzielen. Die nach der Erzeugung der Nanostruktur möglicherweise auf der strukturierten Oberfläche des Substrats verbleibenden Reste der Trägerschicht und/oder der inselförmigen Schicht können zum Beispiel mit einem nasschemischen Ätzprozess entfernt werden.The In the previously described first etching process structured carrier layer subsequently becomes an etching mask in a second etching process used for structuring of the substrate. The second etching process is preferably carried out with a reactive ion etching, in particular in an inductively generated plasma (ICP, Inductively Coupled Plasma). With this method can be advantageous high etch rates achieve at comparatively low ion energy. The after the Generation of nanostructure may be on the textured surface remains of the substrate remains of the support layer and / or the island-shaped layer can to Example be removed with a wet chemical etching process.

Die Nanostruktur erstreckt sich vorteilhaft von der Oberfläche des Substrats aus bis in eine Tiefe von 200 nm oder mehr in das Substrat hinein. Besonders bevorzugt erstreckt sich die Nanostruktur bis in eine Tiefe von einschließlich 300 nm bis einschließlich 600 nm in das Substrat hinein. Dies hat den Vorteil, dass der Brechungsindex in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Substrats ausgehend von einem Umgebungsmedium, insbesondere Luft, zum Inneren des Substrats hin über einen weiten Bereich kontinuierlich zunimmt, wodurch die Reflektivität der Oberfläche des Substrats im Vergleich zu einem abrupten Übergang des Brechungsindizes vermindert wird.The Nanostructure advantageously extends from the surface of the Substrate to a depth of 200 nm or more in the substrate into it. Particularly preferably, the nanostructure extends into a depth of inclusive 300 nm up to and including 600 nm into the substrate. This has the advantage that the refractive index in a direction perpendicular to the surface of the substrate from an ambient medium, in particular air, to the interior of the substrate over a wide range continuously increases, whereby the reflectivity of the surface of Substrate reduced compared to an abrupt transition of the refractive indices becomes.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher insbesondere zur Verminderung der Reflexion einer Oberfläche eines optischen Elements geeignet.The inventive method is therefore in particular for reducing the reflection of a surface of a optical element suitable.

Zum Beispiel kann die Reflexion der Oberfläche eines optischen Elements aus Quarzglas, das eine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugte Nanostruktur aufweist, die sich von der Oberfläche bis in eine Tiefe von etwa 500 nm erstreckt, an der Grenzfläche zu Luft auf weniger als 0,5 % vermindert werden.To the An example is the reflection of the surface of an optical element made of quartz glass, the one by means of the method according to the invention produced nanostructure, extending from the surface to extending to a depth of about 500 nm, at the interface to air be reduced to less than 0.5%.

Ein optisches Element gemäß der Erfindung weist an mindestens einer Oberfläche eine mit dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Nanostruktur auf. Insbesondere kann die Nanostruktur zur Verminderung der Reflexion der Oberfläche vorgesehen sein.One optical element according to the invention has on at least one surface a nanostructure produced by the method according to the invention described above on. In particular, the nanostructure can reduce reflection the surface be provided.

Die Oberfläche des optischen Elements, auf der die Nanostruktur erzeugt ist, kann eine ebene oder eine gekrümmte Oberfläche sein.The surface of the optical element on which the nanostructure is created can a plane or a curved one surface be.

Beispielsweise kann das optische Element ein refraktives optisches Element wie zum Beispiel eine Linse, oder ein diffraktives optisches Element, wie zum Beispiel ein optisches Gitter oder ein Hologramm, sein. Weiterhin kann das optische Element eine Kunststoffscheibe oder eine Glasscheibe sein, die beispielsweise als optisch transparente Abdeckung einer Anzeigevorrichtung oder als Fensterscheibe vorgesehen ist.For example For example, the optical element may be a refractive optical element For example, a lens, or a diffractive optical element, such as for example, an optical grating or a hologram. Farther the optical element may be a plastic disk or a glass sheet be, for example, as an optically transparent cover a Display device or is provided as a window.

Weiterhin ist es auch möglich, dass die Oberfläche des optischen Elements eine mikrostrukturierte Oberfläche ist.Farther it is also possible that the surface of the optical element is a microstructured surface.

Unter einer Mikrostruktur soll dabei eine Struktur verstanden werden, bei der die Strukturgrößen um ein Vielfaches, zum Beispiel um mehr als einen Faktor 10 oder bevorzugt um mehr als einen Faktor 100 größer sind als die Strukturen der Nanostruktur.Under a microstructure should be understood as a structure at the structure sizes around Many times, for example by more than a factor of 10 or preferred by more than a factor of 100 are larger as the structures of the nanostructure.

Die Mikrostruktur kann in dem Material des optischen Elements ausgebildet sein oder alternativ in Form einer mikrostrukturierten Schicht auf die Oberfläche des optischen Elements aufgebracht sein. Insbesondere kann es sich bei dem optischen Element um ein Hologramm, zum Beispiel ein computergeneriertes Hologramm (CGH) handeln.The Microstructure can be formed in the material of the optical element or alternatively in the form of a microstructured layer the surface be applied of the optical element. In particular, it can be at the optical element around a hologram, for example a computer-generated one Hologram (CGH) act.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den 1 bis 3 näher erläutert.The invention will be described below with reference to embodiments in connection with 1 to 3 explained in more detail.

Es zeigen:It demonstrate:

1A bis 1G schematische Darstellungen eines Querschnitts durch ein Substrat bei Zwischenschritten eines Verfahrens gemäß der Erfindung, 1A to 1G schematic representations of a cross section through a substrate in intermediate steps of a method according to the invention,

2 eine Rasterkraftmikroskopie-Aufnahme der inselförmigen Schicht bei einem Zwischenschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, 2 an atomic force microscopy image of the island-shaped layer at an intermediate step of the method according to the invention,

3A und 3B Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen eines computergenerierten Hologramms, an dessen Oberfläche mit einem Verfahren gemäß der Erfindung eine Nanostruktur erzeugt wurde. 3A and 3B Scanning electron micrographs of a computer-generated hologram, on the surface of which a nanostructure has been produced by a method according to the invention.

Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Elemente sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.Same or equivalent elements are in the figures with the same Provided with reference numerals. The illustrated elements are not to scale to look at, rather Exaggerated individual elements for better understanding be.

In 1A ist ein Substrat 1 schematisch im Querschnitt dargestellt, bei dem es sich insbesondere um ein Substrat aus einem Kunststoff oder bevorzugt aus einem Glas, zum Beispiel aus Quarzglas, handelt. Anstelle des in 1A dargestellten ebenen Substrats kann bei dem Verfahren gemäß der Erfindung auch ein gekrümmtes Substrats oder ein mit einer Mikrostruktur versehenes Substrat (nicht dargestellt) mit einer Nanostruktur versehen werden. Bevorzugt ist das Substrat 1 ein optisches Element.In 1A is a substrate 1 shown schematically in cross-section, which is in particular a substrate made of a plastic or preferably of a glass, for example of quartz glass, is. Instead of in 1A In the method according to the invention, even a curved substrate or a microstructured substrate (not shown) may be provided with a nanostructure. The substrate is preferred 1 an optical element.

Bei dem in 1B dargestellten Zwischenschritt ist auf das Substrat 1 eine Trägerschicht 2 aufgebracht worden. Die Trägerschicht 2 ist vorteilhaft aus einem Material gebildet, das gegenüber dem Substrat 1 eine hohe Ätzselektivität aufweist. Besonders geeignete Materialien für die Trägerschicht 2 sind Metalle und Metalllegierungen. Besonders bevorzugt ist die Trägerschicht 2 eine Chromschicht. Dies ist beispielsweise bei einem Substrat aus einem Glas, insbesondere Quarzglas vorteilhaft, weil sich Chrom durch eine hohe Ätzselektivität gegenüber Glas auszeichnet und somit als Ätzmaske zur Herstellung von Nanostrukturen mit einem hohen Aspektverhältnis in einem derartigen Substrat geeignet ist.At the in 1B shown intermediate step is on the substrate 1 a carrier layer 2 been applied. The carrier layer 2 is advantageously formed of a material opposite to the substrate 1 has a high Ätzselektivität. Particularly suitable materials for the carrier layer 2 are metals and metal alloys. Particularly preferred is the carrier layer 2 a chrome layer. This is advantageous, for example, in the case of a substrate made of a glass, in particular quartz glass, because chromium is distinguished by a high etching selectivity with respect to glass and thus is suitable as an etching mask for producing nanostructures with a high aspect ratio in such a substrate.

Die Trägerschicht 2 wird zum Beispiel mittels Sputtern auf das Substrat 1 aufgebracht. Alternativ können im Rahmen der Erfindung aber auch andere Beschichtungsverfahren, beispielsweise ein anderes PVD-Verfahren oder ein CVD-Verfahren, zum Aufbringen der Trägerschicht eingesetzt werden.The carrier layer 2 is sputtered onto the substrate, for example 1 applied. Alternatively, however, other coating methods, for example another PVD method or a CVD method, can be used for applying the carrier layer within the scope of the invention.

Die Dicke der Trägerschicht 2 ist in Abhängigkeit der gewünschten Tiefe der Nanostruktur, die in einem späteren Verfahrensschritt unter Verwendung der Trägerschicht 2 als Ätzmaske in dem Substrat 1 ausgebildet werden soll, auszuwählen. Vorteilhaft beträgt die Dicke der Trägerschicht zwischen einschließlich 10 nm und einschließlich 30 nm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 15 nm und einschließlich 25 nm.The thickness of the carrier layer 2 is dependent on the desired depth of the nanostructure, which in a later process step using the carrier layer 2 as an etching mask in the substrate 1 should be trained to select. Advantageously, the thickness of the support layer is between 10 nm and 30 nm inclusive, more preferably between 15 nm and 25 nm inclusive.

Bei dem in 1C schematisch dargestellten Zwischenschritt ist eine inselförmige Schicht 3 auf die Trägerschicht 2 aufgebracht worden. Das Aufwachsen der inselförmigen Schicht 3 wurde in einem Stadium abgebrochen, in dem noch keine Koaleszenz aufgetreten ist, d.h. die Oberfläche der Trägerschicht 2 ist von einer Vielzahl von Inseln 4 aus dem Material der inselförmigen Schicht 3 bedeckt. Die Inseln 4 der inselförmigen Schicht 3 weisen im statistischen Mittel bevorzugt einen Durchmesser d zwischen einschließlich 10 nm und einschließlich 100 nm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 40 nm und einschließlich 60 nm, auf. Die Höhe h der Inseln beträgt im statistischen Mittel vorzugsweise zwischen einschließlich 7 nm und einschließlich 15 nm.At the in 1C schematically represented intermediate step is an island-shaped layer 3 on the carrier layer 2 been applied. The growth of the island-shaped layer 3 was broken off in a stage in which no coalescence has yet occurred, ie the surface of the carrier layer 2 is from a variety of islands 4 from the material of the island-shaped layer 3 covered. The islands 4 the island-shaped layer 3 have on a statistical average preferably a diameter d of between 10 nm and 100 nm inclusive, more preferably between 40 nm and 60 nm inclusive. The height h of the islands is, on a statistical average, preferably between 7 nm and 15 nm inclusive.

Die inselförmige Schicht 3 wird bevorzugt mit einem Sputterverfahren aufgebracht, zum Beispiel mit Ionenstrahlsputtern oder DC-Magnetronsputtern. Dabei wird vorteilhaft ein größerer Arbeitsdruck verwendet als beim Aufbringen der Trägerschicht. Es hat sich herausgestellt, dass die Größenverteilung der Inseln durch den Druck des beim Sputtern verwendeten Arbeitsgases, zum Beispiel Argon, variiert werden kann, wobei mit zunehmendem Druck größere Inseln erzeugt werden. Vorteilhaft erfolgt das Aufbringen der inselförmigen Schicht 3 bei einem Arbeitsdruck von etwa 0,1 mbar oder mehr.The island-shaped layer 3 is preferably applied by a sputtering method, for example, ion beam sputtering or DC magnetron sputtering. In this case, advantageously, a larger working pressure is used than when applying the carrier layer. It has been found that the size distribution of the islands can be varied by the pressure of the working gas used during sputtering, for example argon, with larger islands being produced with increasing pressure. Advantageously, the application of the island-shaped layer 3 at a working pressure of about 0.1 mbar or more.

Die inselförmige Schicht 3 ist mit Vorteil eine Metallschicht, besonders bevorzugt eine Goldschicht. Die Verwendung eines Metalls mit einem vergleichsweise niedrigem Schmelzpunkt wie zum Beispiel Gold als Material für die inselförmige Schicht 3 hat sich als vorteilhaft erwiesen, da die Koaleszenz erst bei einer vergleichsweise großen Schichtdicke auftreten würde, so dass aus diesem Material Inseln mit vergleichsweise großen Durchmessern und Höhen erzeugt werden können. Weiterhin ist eine inselförmige Schicht 3 aus Gold vorteilhaft, da Gold nur eine geringe Neigung zur Oxidation aufweist und somit die Gefahr einer Degradation der inselförmigen Schicht 3 vor den nachfolgenden Verfahrensschritten gering ist.The island-shaped layer 3 is advantageously a metal layer, particularly preferably a gold layer. The use of a metal with a comparatively low melting point, such as gold as material for the island-shaped layer 3 has proven to be advantageous because the coalescence would occur only at a relatively large layer thickness, so that islands with relatively large diameters and heights can be generated from this material. Furthermore, an island-shaped layer 3 Of gold advantageous because gold has only a slight tendency to oxidation and thus the risk of degradation of the island-shaped layer 3 is low before the subsequent process steps.

Bei dem in 1D dargestellten Zwischenschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird, wie durch die Pfeile 5 angedeutet, ein reaktiver Ionenätzprozess durchgeführt, um die Struktur der inselförmigen Schicht 3 in die Trägerschicht 2 zu übertragen. Dabei fungiert die zuvor aufgebrachte inselförmige Schicht 3 als Ätzmaske. Bei dem Ionenätzprozess werden zum Beispiel Chlor mit einem Fluss von 50 sccm und Sauerstoff mit einem Fluss von 10 sccm als Prozessgase verwendet. Die Ätzselektivität zwischen dem Material der inselförmigen Schicht 3, zum Beispiel Gold, und dem Material der Trägerschicht 2, beispielsweise Chrom, kann durch eine Variation des Druckes des Ätzgases variiert werden.At the in 1D shown intermediate step of the method according to the invention, as shown by the arrows 5 indicated a reactive ion etching process performed to the structure of the island-shaped layer 3 in the carrier layer 2 transferred to. In this case, the previously applied island-shaped layer acts 3 as an etching mask. In the ion etching process, for example, chlorine having a flow of 50 sccm and oxygen having a flow of 10 sccm are used as the process gases. The etch selectivity between the material of the island-shaped layer 3 , For example, gold, and the material of the carrier layer 2 For example, chromium can be varied by varying the pressure of the etching gas.

Durch den zuvor beschriebenen Ätzprozess wird die in 1E schematisch dargestellte strukturierte Trägerschicht erzeugt. Da die inselförmige Schicht 3 als Ätzmaske verwendet wurde, gleicht die Struktur der strukturierten Trägerschicht 2 im Wesentlichen der zuvor aufgebrachten inselförmigen Schicht 3. Nach der Strukturierung durch den Ätzprozess weist die Trägerschicht 2 also eine Inselstruktur auf, wobei die Durchmesser der Inseln im Wesentlichen mit den Durchmessern der Inseln der zuvor aufgebrachten inselförmigen Schicht übereinstimmen. Auf diese Weise kann vorteilhaft eine Inselstruktur auch in einem Material der Trägerschicht 2 erzeugt werden, die durch direktes Aufwachsen auf dem Substrat 1 nicht ohne weiteres herstellbar wäre. Beispielsweise wäre es unvorteilhaft, eine Chromschicht unmittelbar als inselförmige Schicht auf dem Substrat 1 aufzuwachsen, da Chromschichten bereits bei sehr geringen Schichtdicken kontinuierlichen Schichten ausbilden und somit Inseln mit vergleichsweise großen Durchmessern und Höhen auf herkömmliche Weise nicht ohne weiteres herstellbar sind.By the above-described etching process, the in 1E schematically illustrated structured carrier layer produced. Because the island-shaped layer 3 was used as an etching mask, the structure of the structured support layer is similar 2 essentially the previously applied island-shaped layer 3 , After structuring by the etching process, the carrier layer has 2 Thus, an island structure, wherein the diameters of the islands substantially coincide with the diameters of the islands of the previously applied island-shaped layer. In this way, an island structure can also be advantageous in a material of the carrier layer 2 produced by directly growing on the substrate 1 would not be easily produced. For example, it would be disadvantageous to have a chromium layer immediately as an insular layer on the substrate 1 grow, because chromium layers form even at very low film thicknesses continuous layers and thus islands with relatively large diameters and heights in a conventional manner are not readily produced.

Bei dem nachfolgenden in 1F schematisch dargestellten Verfahrensschritt wird ein zweiter Ätzprozess durchgeführt, bei dem die zuvor strukturierte Trägerschicht 2 als Ätzmaske verwendet wird. Wie der erste Ätzprozess ist auch der zweite Ätzprozess vorteilhaft ein reaktiver Ionenätzprozess. Besonders bevorzugt wird bei dem zweiten Ätzprozess ein induktiv erzeugtes Plasmaätzen (ICP) durchgeführt. Bei dem zweiten Ätzprozess wird die zuvor in der Trägerschicht 2 erzeugte Struktur vorzugsweise unter einem hohen Aspektverhältnis in das Substrat 1 übertragen.At the following in 1F schematically illustrated step, a second etching process is performed, in which the previously structured carrier layer 2 is used as an etching mask. Like the first etching process, the second etching process is also advantageously a reactive ion etching process. Particularly preferably, an inductively generated plasma etching (ICP) is carried out in the second etching process. In the second etching process, the previously in the carrier layer 2 produced structure preferably under a high aspect ratio in the substrate 1 transfer.

Auf diese Weise wird das in 1G dargestellte Substrat 1 hergestellt, das an seiner Oberfläche eine Nanostruktur 8 aufweist. Da bei dem zweiten Ätzprozess die strukturierte Trägerschicht 2 als Ätzmaske verwendet wurde, stimmen die lateralen Dimensionen der erzeugten Nanostruktur 8 im Wesentlichen mit der strukturierten Trägerschicht 2 und somit auch mit der zuvor aufgebrachten inselförmigen Schicht 3 überein. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht also insbesondere darin, dass die Dimensionen der erzeugten Nanostruktur 8 in lateraler Richtung durch die Wachstumsbedingungen beim Aufbringen der inselförmigen Schicht 3 beeinflusst werden können.In this way, the in 1G illustrated substrate 1 produced on its surface a nanostructure 8th having. As in the second etching process, the structured carrier layer 2 was used as an etching mask, the lateral dimensions of the nanostructure created agree 8th essentially with the structured carrier layer 2 and thus also with the previously applied island-shaped layer 3 match. An advantage of the method according to the invention is thus in particular that the dimensions of the nanostructure produced 8th in the lateral direction by the growth conditions during the application of the insular layer 3 can be influenced.

Die Tiefe t, bis in die sich die Nanostruktur 8 in das Substrat 1 hinein erstreckt, hängt insbesondere von der Ätzselektivität des Materials der Trägerschicht 2 gegenüber dem Material des Substrats 1 und von der Dicke der ursprünglich aufgebrachten Trägerschicht 2 ab. Bevorzugt erstreckt sich die Nanostruktur bis in eine Tiefe t von 200 nm oder mehr in das Substrat hinein. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt die Tiefe t der erzeugten Nanostruktur 8 zwischen einschließlich 300 nm und einschließlich 600 nm. Eine derart große Tiefe der erzeugten Nanostruktur ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Nanostruktur 8 an der Oberfläche des Substrats 1 erzeugt wird, um die Reflexion der Oberfläche des Substrats 1 zu vermindern.The depth t, into which the nanostructure 8th in the substrate 1 extends in particular depends on the etch selectivity of the material of the carrier layer 2 opposite the material of the substrate 1 and the thickness of the originally applied carrier layer 2 from. The nanostructure preferably extends into the substrate to a depth t of 200 nm or more. In a particularly preferred embodiment, the depth t of the nanostructure produced 8th between 300 nm and 600 nm inclusive. Such a large depth of the nanostructure produced is particularly advantageous when the nanostructure 8th at the surface of the substrate 1 is generated to reflect the reflection of the surface of the substrate 1 to diminish.

Die zur Erzielung einer optimalen Reflexionsminderung erforderliche Tiefe t der erzeugten Nanostruktur 8 lässt sich zum Beispiel mittels der effektiven Medientheorie abschätzen, die beispielsweise aus der Druckschrift Hisao Kikuta, Yasushi Ohira, Hayao Kubo und Koichi Iwata, „Effective Medium Theory of Two Dimensional Subwavelength Gratings in the Non-Quasi- Static Limit", Journal of the Optical Society of America A, Vol. 15, No. 6 (1998), bekannt ist.The depth t of the nanostructure produced in order to achieve optimal reflection reduction 8th can be estimated, for example, by means of effective media theory, for example, from the publication Hisao Kikuta, Yasushi Ohira, Hayao Kubo and Koichi Iwata, "Effective Medium Theory of Two Dimensional Subwavelength Gratings in the Non-Quasi-Static Limit", Journal of the Optical Society of America A, Vol. 15, No. 6 (1998).

Beispielsweise kann an der Grenzfläche zwischen Quarzglas mit dem Brechungsindex n = 1,45 und Luft mit dem Brechungsindex n = 1 im sichtbaren Spektralbereich durch Erzeugung einer Nanostruktur mit einer Tiefe t von etwa 500 nm eine Reflexion von weniger als 0,5 % erzielt werden.For example may be at the interface between quartz glass with refractive index n = 1.45 and air with the refractive index n = 1 in the visible spectral range by generation a reflection of a nanostructure with a depth t of about 500 nm less than 0.5%.

2 zeigt eine Rasterkraftmikroskopie-Aufnahme einer inselförmigen Goldschicht, die mittels eines Sputterverfahrens ohne Kühlung des Substrats bei einem Arbeitsdruck von 0,1 mbar auf einer 20 nm dicken Trägerschicht aus Chrom abgeschieden wurde. Die inselförmige Goldschicht 3 enthält Inseln 4, die einen durchschnittlichen Durchmesser von etwa 30 nm bis 50 nm und eine durchschnittliche Höhe von etwa 10 nm aufweisen. 2 shows an atomic force micrograph of an island-shaped gold layer, which was deposited by means of a sputtering process without cooling the substrate at a working pressure of 0.1 mbar on a 20 nm thick support layer of chromium. The island-shaped gold layer 3 contains islands 4 having an average diameter of about 30 nm to 50 nm and an average height of about 10 nm.

In den 3A und 3B ist ein Ausführungsbeispiel eines optischen Elements gemäß der Erfindung dargestellt. Es handelt sich um Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen eines computergenerierten Hologramms (CGH) mit unterschiedlicher Vergrößerung. Das computergenerierte Hologramm weist eine mikrostrukturierte Oberfläche 9 auf, wobei an der mikrostrukturierten Oberfläche 9 mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Nanostruktur 8 erzeugt wurde. Die an der Oberfläche des computergenerierten Hologramms erzeugte Nanostruktur 8 bewirkt eine Reflexionsminderung, die mit herkömmlichen reflexionsmindernden Schichtsystemen bei einer derart komplexen Oberflächenstruktur nicht ohne weiteres möglich wäre.In the 3A and 3B an embodiment of an optical element according to the invention is shown. These are scanning electron micrographs of a computer-generated hologram (CGH) with different magnifications. The computer generated hologram has a microstructured surface 9 on, being on the microstructured surface 9 with the inventive method a nanostructure 8th was generated. The nanostructure created on the surface of the computer-generated hologram 8th causes a reflection reduction, which would not be readily possible with conventional reflection-reducing layer systems with such a complex surface structure.

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.The The invention is not by the description based on the embodiments limited. Much more For example, the invention includes every novel feature as well as every combination of features, in particular any combination of features in the claims includes, even if this feature or this combination itself not explicitly stated in the patent claims or exemplary embodiments is.

Claims (23)

Verfahren zur Erzeugung einer Nanostruktur (8) an einer Oberfläche mit den Verfahrensschritten: a) Aufbringen einer Trägerschicht (2) auf die Oberfläche eines Substrats (1), b) Aufbringen einer inselförmigen Schicht (3) auf die Trägerschicht (2), c) Strukturierung der Trägerschicht (2) mit einem Ätzprozess unter Verwendung der inselförmigen Schicht (3) als Ätzmaske, d) Erzeugen der Nanostruktur (8) an der Oberfläche des Substrats (1) mit einem weiteren Ätzprozess unter Verwendung der strukturierten Trägerschicht (2) als Ätzmaske.Process for producing a nanostructure ( 8th ) on a surface with the method steps: a) application of a carrier layer ( 2 ) on the surface of a substrate ( 1 b) applying an insular layer ( 3 ) on the carrier layer ( 2 ), c) structuring of the carrier layer ( 2 ) with an etching process using the island-like layer ( 3 ) as an etching mask, d) generating the nanostructure ( 8th ) on the surface of the substrate ( 1 ) with a further etching process using the structured carrier layer ( 2 ) as an etching mask. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) ein transparentes Substrat ist.Method according to claim 1, characterized in that the substrate ( 1 ) is a transparent substrate. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Substrat (1) ein Kunststoffsubstrat oder ein Glassubstrat ist.Method according to claim 1 or 2, characterized in that substrate ( 1 ) is a plastic substrate or a glass substrate. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) ein optisches Element ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the substrate ( 1 ) is an optical element. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (2) eine Metallschicht ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier layer ( 2 ) is a metal layer. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (2) Cr enthält.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier layer ( 2 ) Contains Cr. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (2) eine Dicke von einschließlich 10 nm bis einschließlich 30 nm aufweist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier layer ( 2 ) has a thickness of from 10 nm to 30 nm inclusive. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die inselförmige Schicht (3) eine Metallschicht ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the island-shaped layer ( 3 ) is a metal layer. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die inselförmige Schicht (3) eine Goldschicht ist.A method according to claim 8, characterized in that the island-shaped layer ( 3 ) is a gold layer. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die inselförmige Schicht (3) mittels Sputtern aufgebracht wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the island-shaped layer ( 3 ) is applied by sputtering. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Sputtern bei einem Arbeitdruck von 0,1 mbar oder mehr durchgeführt wird.Method according to claim 10, characterized in that that the sputtering is carried out at a working pressure of 0.1 mbar or more. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die inselförmige Schicht (3) Inseln (4) mit einer mittleren lateralen Abmessung zwischen einschließlich 10 nm und einschließlich 100 nm aufweist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the island-shaped layer ( 3 ) Islands ( 4 ) having a mean lateral dimension of between 10 nm and 100 nm inclusive. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die inselförmige Schicht (3) Inseln (4) mit einer mittleren Höhe zwischen einschließlich 7 nm und einschließlich 15 nm aufweist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the island-shaped layer ( 3 ) Islands ( 4 ) having an average height of between 7 nm and 15 nm inclusive. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung der Trägerschicht (2) mit reaktivem Ionenätzen (RIE) erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the structuring of the carrier layer ( 2 ) with reactive ion etching (RIE). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der Nanostruktur (8) mit reaktivem Ionenätzen (RIE), insbesondere mit induktiv erzeugtem Plasmaätzen (ICP), erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the generation of the nanostructure ( 8th ) with reactive ion zen (RIE), in particular with inductively generated plasma etching (ICP), takes place. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Nanostruktur (8) von der Oberfläche des Substrats (1) aus bis in eine Tiefe von 200 nm oder mehr in das Substrat (1) hinein erstreckt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the nanostructure ( 8th ) from the surface of the substrate ( 1 ) to a depth of 200 nm or more into the substrate ( 1 ) extends into it. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Nanostruktur (8) von der Oberfläche des Substrats (1) aus bis in eine Tiefe zwischen einschließlich 300 nm und einschließlich 600 nm in das Substrat (1) hinein erstreckt.Method according to claim 16, characterized in that the nanostructure ( 8th ) from the surface of the substrate ( 1 ) to a depth of between 300 nm and 600 nm inclusive into the substrate ( 1 ) extends into it. Optisches Element, dadurch gekennzeichnet, dass es an einer Oberfläche eine mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17 erzeugte Nanostruktur (8) aufweist.Optical element, characterized in that it has on one surface a nanostructure produced by a method according to one of Claims 1 to 17 ( 8th ) having. Optisches Element nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanostruktur (8) die Reflexion der Oberfläche vermindert.Optical element according to claim 18, characterized in that the nanostructure ( 8th ) reduces the reflection of the surface. Optisches Element nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche eine mikrostrukturierte Oberfläche (9) ist und die Nanostruktur (8) an der mikrostrukturierten Oberfläche (9) erzeugt ist.Optical element according to claim 18 or 19, characterized in that the surface has a microstructured surface ( 9 ) and the nanostructure ( 8th ) on the microstructured surface ( 9 ) is generated. Optisches Element nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element ein Hologramm ist.Optical element according to Claim 20, characterized that the optical element is a hologram. Hologramm, dadurch gekennzeichnet, dass es eine nanostrukturierte Oberfläche aufweist.Hologram, characterized in that it has a nanostructured surface having. Hologramm, dadurch gekennzeichnet, dass die nanostrukturierte Oberfläche durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17 hergestellt ist.Hologram, characterized in that the nanostructured surface is produced by a method according to one of claims 1 to 17.
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