DE69906966T2

DE69906966T2 - Verfahren zur herstellung von optischen komponenten durch replikation

Info

Publication number: DE69906966T2
Application number: DE69906966T
Authority: DE
Inventors: Philippe Belleville; Philippe Gacoin; Sophie Kaladgew
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1998-06-09
Filing date: 1999-06-08
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2019-06-09
Also published as: EP1084429A1; FR2779534B1; JP4901001B2; WO1999064901A1; JP2002517343A; FR2779534A1; US6579477B1; EP1084429B1; DE69906966D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von optischen Elementen durch Replikation, wobei man von einer Matrix ausgeht. Die Erfindung betrifft außerdem die optischen Elemente, die bei diesem Verfahren erhalten werden.
Bei diesen optischen Elementen handelt es sich insbesondere um optische Beugungselemente, wie z. B. Lichtbeugungsgitter, die in optischen Einrichtungen verwendet werden, um ein Lichtstrahlenbündel entsprechend einer Überlagerungsbeugungsordnung abzulenken.
Die Beugungselemente werden insbesondere in Lasersystemen verwendet, in denen das Beugungsgitter mehrere Funktionen erfüllen kann, wie z. B. eine Ablenkung, eine chromatische Trennung und gegebenenfalls eine Fokussierung, und dies bei einem Minimum an durchquertem Material; diesbezüglich sei verwiesen auf die französische Patentanmeldung Nr. 96 11 378, die sich auf ein fokussierendes Beugungsgitter mit sehr hoher Wirksamkeit bezieht.
In der beiliegenden 1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines klassischen Beugungsgitters dargestellt.
Dieses Gitter 1 weist ein Gravurprofil auf, das aus einer Folge von eingravierten Elementarmotiven besteht, die beispielsweise die Form von Rechteckimpulsen haben.
Die Wirksamkeit eines solchen Elements hängt im Wesentlichen von den Eigenschaften des Profils der Gravur ab.
Bei diesen Eigenschaften handelt es sich um folgende:

– die Tiefe h der Gravur des Materials, die das Gitter bildet, wobei diese Tiefe optimiert werden kann, um einen maximalen Beugungsgrad zu ergeben;
– der Gitterabstand a;
– die Unterteilung oder Periode b;
– der "Füllungsgrad" t, der durch das Verhältnis t = (b – a)/b definiert ist, das < 1 ist, wobei die den Gravuren zu gebende optimale Tiefe auch eine Funktion dieses Füllungsgrades ist;
– das "Aspektverhältnis" r, das durch die Beziehung r = (b – a)/h definiert ist.
Je größer die Tiefe ist, umso kleiner ist das Aspektverhältnis (r < 1), man spricht dann aber in diesem Fall von einem Profil mit einem hohen Aspektverhältnis, wobei man sich bezieht auf eine einheitliche Profilbreite (b – a); so ist beispielsweise in dem nachstehend beschriebenen Fall ein Aspektverhältnis von 1 : 1 leicht zu replizieren, während ein Aspektverhältnis von 1 : 5 schwer zu replizieren ist.

Es ist offensichtlich, dass ganz allgemein ein Verfahren zur getreuen (genauen) Replikation in der Lage sein muss, replizierte Objekte oder Kopien zu liefern, welche die gleichen Eigenschaften wie das Vorlagenobjekt oder die Matrix haben.
Diese Forderung muss erfüllt sein im Falle der Herstellung von optischen Elementen und insbesondere von optischen Beugungselementen durch Replikation.
So muss im Falle eines Beugungsgitters das Verfahren zur Herstellung eines solchen Gitters durch Replikation die genaue Reproduktion (Wiedergabe) des kopierten Gravurprofils gewährleisten, d. h. die Eigenschaften des vorstehend definierten Gravurprofils mit der größten Genauigkeit wiederzugeben, d. h. in bezug auf Tiefe, Gitterabstand, Periode, Füllungsgrad und Aspektverhältnis.
Die Genauigkeit der Wiedergabe der Eigenschaften des kopierten Profils hängt nämlich von den optischen Eigenschaften und insbesondere von dem Beugungswirkungsgrad ab, die anlog zu denjenigen der Matrix (Vorlage) sein müssen.
Darüber hinaus muss das für die Herstellung der Kopie (des Duplikats) verwendete Material die Eigenschaften aufweisen, die für die gewünschte Verwendung beispielsweise in einem Lasersystem erforderlich sind.
Die in der Literatur beschriebenen Replikationsverfahren können in drei Hauptkategorien unterteilt werden, d. h. in das Tiefziehen oder Warmpressen (in Eng lisch "hot embossing"), das Spritzgießen (in Englisch "injection moulding") und das Gießen (in Englisch "casting").
Das Press- bzw. Prägeverfahren ist eine Technologie, die in der Industrie in großem Umfang angewendet wird zur Herstellung insbesondere von Hologrammen, wie in dem Dokument von Kluepfel et al., 1991, "Holography Market Place", Berkeley, Ca., USA, Ross Books, beschrieben.
Diese Technik beruht auf dem Prinzip, das darin besteht, ein thermoplastisches Material, wie z. B. Poly(vinylchlorid) oder Polycarbonat, das auf eine erhöhte Temperatur gebracht worden ist, mit Hilfe einer Matrix auf einen ebenen Träger zu pressen.
Diese Technik ist insbesondere geeignet für die Wiedergabe von Profilen mit einer Tiefe von weniger als 1 μm oder tieferen Profilen, jedoch mit einem kleineren Aspektverhältnis, d. h. mit r > 1.
Das Dokument von Knope und Gale, 1980, "Surface-Relief Images for Colour Reproduction", London, Focal Press, beschreibt die Replikation mit einem Labor-Verfahren unter Verwendung von Gittern mit einem Aspektverhältnis von 1/4,3.
Das Dokument von Becker et al., 1986, "LIGA Process, Microelectronic Engineering", 4, 35–36, beschreibt eine Technologie, die für die Replikation durch Pressen von Mikrostrukturen mit einem starken Aspekt-Profil bestimmt ist.
Die zweite große Kategorie von Replikationsverfahren ist das Formen, das in Masse entwickelt wurde für die Herstellung von Fresnel-Linsen, wie in dem Dokument von Miller et al., 1951, "JOSA", 41, 807–815 beschrieben, von Retroprojektions-Kondensatoren oder von Audio- oder Video-Kompakt-Discs, wie in dem Dokument von Teyssier et al., 1990, "Lasers & Optronics", Dezember 1990, 50–53, beschrieben.
Dieses Verfahren erlaubt die genaue (naturgetreue) Replikation einer Mikrostruktur durch Spritzgießen eines weich gemachten Kunststoffmaterials, wie z. B. eines Polycarbonats, Poly(methylmethacrylat) oder eines anderen Materials in eine profilierte Form.
Die industrielle Herstellung von Duplikaten mit einer hohen Auflösung, d.h. von weniger als 1 μm und einer großen Tiefe, d. h. von mehr als 1 μm, ist derzeit jedoch nicht gleichzeitig beherrschbar.
Das Verfahren zur Replikation durch Gießen, wie es beispielsweise in dem Dokument von Hutley 1982, "Diffraction Gratings", 125–127, Academic Press, London, beschrieben ist, besteht darin, auf die Oberfläche einer profilierten Matrix ein Material aufzubringen und dieses bei erhöhter Temperatur zu formen (zu gießen) oder durch Fotopolymerisation, wie dies in den Dokumenten von Coops, 1990, "Philips J. Res.", 44, 481–500, und von Shvartman, 1993, "SPIE Critical Review Proceedings", CR49, 117–137, SPIE, WA, USA, beschrieben ist.
Dieses Verfahren ist insbesondere anwendbar für den Fall, dass Profile mit hoher Auflösung und mit einem hohen Aspektverhältnis benötigt werden. Die Zykluszeiten sind jedoch lang.
Außerdem wurden bisher nicht-verformbare Sol-Gel-Materialien verwendet bei der Herstellung von Beugungsoptiken oder Wellenleitern von dem INM (Institut für neue Materialien) in Saarbrücken.
So beschreibt das Dokument von Krug et al., 1994, "New J. Chem.", 18, 1125-1134, Versuche durch Anwendung von Press- und Fotovernetzungsverfahren unter UV-Bestrahlung mit dem Hybridmaterial Zr(OR)₄/CH₂=CCH₃COOH₃/(RO)₃Si(CH₂)₃OCOC(CH₃)=CH₂ zur Replikation von Transmissions-Beugungsgittern im sichtbaren oder nahen infraroten Bereich.
Keines der vorgenannten Verfahren entspricht jedoch gleichzeitig allen weiter oben bereits genannten Anforderungen für ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Elements, wie z. B. eines Beugungsgitters, durch Replikation, d. h. in bezug auf eine naturgetreue Wiedergabe, auf ein genaues Gravurprofil, das durch die oben genannten Eigenschaften definiert ist, und in bezug auf optische Eigenschaften oder andere Anforderungen für die gewünschte Verwendung, wie z. B. Transmission (Transparenz), Plastizität...
Insbesondere erlaubt keines der Verfahren des Standes der Technik die genaue Wiedergabe von Matrices mit hoher Dichte und hohem Aspektprofil auf einfache Weise.
Außerdem ist es mit keinem der Verfahren des Standes der Technik möglich, außer den oben genannten Anforderungen zusätzlichen Anforderungen zu genügen, die bei Hochleistungslasern anzutreffen sind.
Diese Laser, deren künftige Generation beispielsweise eine Stärke von 500 TW bei 0,35 μm haben wird, erfordern die Verwendung von Beugungsgittern mit großen Dimensionen, beispielsweise von 400 mm × 440 mm, mit einer hohen Wirksamkeit und vor allem mit einer guten Beständigkeit gegenüber einem Laserstrahl in einem Gebiet, das beispielsweise vom Nahen Ultraviolett bis zum Nahen Infrarot gehen kann.
Es gibt somit einen Bedarf für ein Verfahren zur Herstellung von optischen Elementen durch Replikation, das gleichzeitig der Gesamtheit der Anforderungen und den weiter oben genannten zusätzlichen Anforderungen entspricht.
Es gibt insbesondere einen Bedarf für ein Verfahren, das die genaue Wiedergabe von Matrices mit hoher Dichte und mit einem starken Aspektprofil auf einfache Weise erlaubt.
Es gibt außerdem einen Bedarf für ein Verfahren, das außerdem die Herstellung von optischen Elementen, wie z. B. Beugungsgittern mit einer großen Dimension, ermöglicht.
Schließlich gibt es einen Bedarf für ein Verfahren, das die genaue Wiedergabe von optischen Elementen erlaubt, unabhängig von dem Kopien-Material, und insbesondere mit Kopien-Materialien, die alle diese optischen Eigenschaften aufweisen und weiteren (mechanischen, thermischen) Anforderungen für den gewünschten Verwendungszweck genügen und unter anderem eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Laserstrahlen aufweisen.
Dieses Verfahren muss darüber hinaus einfach, zuverlässig, leicht durchführbar und wirtschaftlich sein.
Das Ziel der Endung besteht darin, unter anderem diesen Anforderungen zu genügen.
Ziel der Erfindung ist es außerdem, ein Verfahren zur Herstellung von optischen Elementen durch Replikation anzugeben, das nicht die Nachteile, Mängel und Beschränkungen der Verfahren des Standes der Technik aufweist und das die Probleme des Standes der Technik löst.
Dieses Ziel und weitere Ziele werden unter anderem erfindungsgemäß erreicht durch ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Elements durch Replikation, wobei man von einer Matrix ausgeht, bei dem man

– einerseits und um die Matrix zu konditionieren,
– durch Flüssigphasenabscheidung ein Entformungsmittel auf die gereinigte Matrix aufbringt und
– die mit dem Entformungsmittel bedeckte Matrix einer thermischen Behandlung unterwirft; und andererseits und um einen Kopienträger herzustellen,
– durch Flüssigphasenabscheidung einen Haftungspromotor oder einen Kuppler auf ein gereinigtes Substrat aufbringt und
– das mit dem Haftungspromotor und dem Kuppler bedeckte Substrat einer thermischen Behandlung unterwirft; um entweder einerseits die Behandlung der Matrix oder andererseits die Herstellung des Kopienträgers zu beenden, durch Aufbringen eines Kopienmaterials durch Flüssigphasenabscheidung entweder auf die mit dem Entformungsmittel bedeckte, thermisch behandelte Matrix oder auf das mit dem Haftungspromotor und dem Kuppler bedeckte, thermisch behandelte Substrat und Unterwerfen der Matrix oder des Substrats, die (das) mit dem Kopienmaterial bedeckt ist, einer thermischen Behandlung;
– die so konditionierte Matrix und den so hergestellten Kopienträger getrennt auf die Press-Temperatur bringt;
– die Matrix und den Kopienträger zusammenfügt und entweder die Matrix auf den Kopienträger presst oder den Kopienträger auf die Matrix presst;
– die Temperatur und das Pressen der Gesamtanordnung für eine ausreichende Zeitspanne aufrechterhält, um die Replikation zu gewährleisten; und
– nach dem Abkühlen den Kopienträger, der das replizierte optische Element trägt, von der Matrix trennt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Nachteile der Verfahren des Standes der Technik beseitigt, werden die bei diesen Verfahren auftretenden Probleme gelöst und wird die Gesamtheit der weiter oben angegebenen Bedingungen erfüllt.
Das erfindungsgemäße Verfahren erfüllt nämlich gleichzeitig alle oben angegebenen Kriterien und erlaubt es, die Herstellung eines optischen Elements aus einem geeigneten Material zu beherrschen, das alle optischen und sonstigen er wünschten Eigenschaften aufweist, wie z. B. Transparenz, Plastizität und Beständigkeit gegenüber Laserstrahlen, ohne dass es im Verlaufe der durchgeführten Stufen beschädigt wird, und es gewährleistet schließlich eine wirklichkeitsgetreue Wiedergabe, was bisher unmöglich war, der Matrix, unabhängig von der Art derselben und von ihrem Gravurprofil.
Das heißt mit anderen Worten, das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt auf überraschende Weise die Herstellung einer wirklichkeitsgetreuen Wiedergabe jedes Profils, wobei diese genaue Wiedergabe möglich ist mit Kopien-Materialien, die alle erforderlichen Eigenschaften für die Verwendung in allen optischen Elementen aufweisen.
Das erfindungsgemäße Verfahren, das einfach in der Durchführung und sehr zuverlässig ist, umfasst eine begrenzte Anzahl von Stufen, in denen erprobte Abscheidungsvertahren und leicht zugängliche Verbindungen verwendet werden.
Das Verfahren ist auch verhältnismäßig wenig aufwendig, was die Dauer angeht, woraus sich ergibt, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch einen Kostenvorteil bietet.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann angewendet werden zur Herstellung jedes optischen Elements, unabhängig von seiner Art, es erlaubt jedoch in vorteilhafter Weise die Herstellung von optischen Beugungselementen, wie z. B. Beugungsgittern, durch Replikation, die insbesondere aufweisen:

– eine sehr gute Reproduktionsgenauigkeit des Profils, selbst wenn dieses ein hohes Aspektverhältnis beispielsweise zwischen 0,2 und 1 aufweist (0,2 < r < 1);
– bei der Übertragung in einem Spektralbereich von Ultraviolett bis zum Nahen Infrarot funktionsfähig sind;
– einen hohen Beugungswirkungsgrad von beispielsweise mehr als 90% sowie eine außergewöhnliche Beständigkeit gegen starke Laserstrahlen von beispielsweise mehr als 25 J/cm² bei 1053 nm und von mehr als 12 J/cm² bei 351 nm im Nanosekunden-Impulsbereich.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist außerdem leicht übertragbar auf Substrate mit großen Dimensionen, die beispielsweise in den Hochleistungslasern verwendet werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch anwendbar für die Herstellung von Elementen mit einer Phasenmodulierung, als "Phasenfilter" bezeichnet, die ein Profil mit Phasenmodulierung aufweisen, bei dem die eintreffende Wellenphase modifiziert ist.
Das Entformungsmittel wird vorzugsweise ausgewählt unter den Fluoroalkylalkoxysilanen und den Fluoroalkylchlorosilanen.
Ein besonders bevorzugtes Entformungsmittel ist das (Tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl)-1-trichlorosilan.
Das Entformungsmittel wird auf die gereinigte Matrix aufgebracht, vorzugsweise unter Anwendung eines Tauchbeschichtungsverfahrens, das im allgemeinen eine bessere Gleichmäßigkeit der Abscheidung gewährleistet.
Die thermische Behandlung der mit dem Entformungsmittel bedeckten Matrix erfolgt im allgemeinen bei einer Temperatur von 100 bis 200°C für eine Zeitdauer von 5 bis 30 min.
Der Haftungspromotor oder Kuppler wird vorzugsweise ausgewählt unter den Fluoroalkylalkoxysilanen und den Epoxyalkylalkoxysilanen.
Es sei darauf hingewiesen, dass der Haftungspromotor oder Kuppler ausgewählt werden kann unter den Fluoroalkylalkoxysilanen wie im Falle des Entformungsmittels, dass er jedoch vorzugsweise ohne Katalysator (Säure, Base) bei der Herstellung verwendet wird.
Ein besonders bevorzugter Haftungspromotor ist das 1H, 1H, 2H, 2H-Perfluorodecyltriethoxysilan.
Der Haftungspromotor oder Kuppler wird vorzugsweise durch Tauchbeschichtung oder Zentrifugenbeschichtung aufgebracht.
Die thermische Behandlung des Kopienträger-Substrats, das mit dem Haftungspromotor oder dem Kuppler bedeckt ist, wird im allgemeinen bei einer Temperatur von 100 bis 200°C für eine Dauer von 5 bis 30 min durchgeführt.
Das Kopienmaterial wird vorzugsweise ausgewählt unter den fluorierten Polymeren, den Vinylpolymeren und den durch Sol-Gel-Synthese hergestellten Materialien.
Bei den fluorierten Polymeren handelt es sich vorzugsweise um thermoplastische fluororganische Poly mere, ausgewählt vorzugsweise unter den Homopolymeren und Copolymeren, die bei der Polymerisation eines Perfluoroalkens (eines Alkens mit vorzugsweise 2 bis 10 Kohlenstoffatomen) oder bei der Copolymerisation eines Perfluoroalkens mit einem anderen Monomer, vorzugsweise einem perfluorierten Monomer, vorzugsweise einem Monomer vom Perfluorodioxol-Typ, erhalten werden.
Bei den bevorzugten Homopolymeren und Copolymeren handelt es sich um die Homopolymeren, bei denen das Perfluoroalken Tetrafluroethylen ist und das andere fluorierte Monomer ein Perfluorodioxol ist.
Bei den bevorzugten Copolymeren handelt es sich um die Produkte der Teflon AF^®-Reihe der Firma Du Pont de Nemours, die bei der Copolymerisation einer Mischung von Tetrafluoroethylen (TFE) und 2,2-Bistrifluoromethyl-4,5-difluoro-1,3-dioxol (PDD) erhalten werden.
Das fluorierte Polymer kann außerdem ausgewählt werden unter den Polymeren von Organofluorocycloethern.
Die Vinylpolymeren werden vorzugsweise ausgewählt unter den Polyvinylpyrrolidonen, den Polyvinylalkoholen und den Polyvinylbutyralen.
Das durch Sol-Gel-Synthese hergestellte Material ist im allgemeinen ein Material auf Basis eines Oxids, das ausgewählt wird unter den Metalloxiden, Metalloidoxiden und unter den Mischungen dieser Oxide.
Das durch Sol-Gel-Synthese hergestellte Kopienmaterial ist ein Material, das ausgewählt werden kann unter den polymeren, oligomeren, kolloidalen und zusammengesetzten (Verbund-)Materialien.
Vorzugsweise handelt es sich bei diesem Kopienmaterial um polymeres, oligomeres oder zusammengesetztes (Verbund-)Siliciumdioxid.
Die thermische Behandlung, der die Matrix oder das Substrat unterworfen wird, wird im allgemeinen bei einer Temperatur von 100 bis 350°C für eine Dauer von 15 bis 60 min durchgeführt.
Die Presstemperatur beträgt vorzugsweise 100 bis 350°C.
Der Druck beim Pressen beträgt im allgemeinen 1 bis 50 MPa und er wird im allgemeinen für eine Dauer von 1 bis 15 min angewendet.
Die Erfindung betrifft außerdem das optische Element, das nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren erhalten werden kann.
Dieses Element wird vorzugsweise ausgewählt unter den optischen Beugungselementen, wie z. B. den Beugungsgittern, den Phasenmodulierungs-Elementen und den Gegenständen oder Elementen, die ein Oberflächenrelief aufweisen.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt insbesondere die Herstellung von Beugungsgittern mit großen Dimensionen durch Replikation mit einer hohen Genauigkeit, d. h. beispielsweise solchen mit einer Seitenlänge von 440 mm und/oder solchen, die eine hohe Beständigkeit gegen den Laserstrahl eines Hochleistungslasers aufweisen.
Weitere Charakteristika und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Lesen der nachfolgenden Beschreibung, die jedoch nur der Erläuterung dient und die Erfindung keineswegs beschränkt.
Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert zunächst die Verwendung einer Matrize oder Matrix. Diese Matrize oder Matrix wird vor dem Replikationsverfahren als solchem hergestellt, das Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist.
Die Matrix kann aus jedem geeigneten Material, vorzugsweise aus anorganischem oder organischem Material bestehen, beispielsweise kann die Matrix aus einem glasartigen Material, wie z. B. einem Glas, beispielsweise einem Glas auf Basis von Siliciumdioxid, wie z. B. einem Silicatglas, einem Borsilicatglas, einem Kalksodaglas oder einem Glas auf Basis von Phosphat bestehen oder die Matrix kann aus einem Metallmaterial oder einem organischen Material, beispielsweise einem Harz, bestehen.
Die Matrix wird im allgemeinen erhalten durch Gavieren eines Substrats aus Glas, insbesondere aus geschmolzenem Siliciumdioxid, für die Verwendung eines Lasers, bei dem das erforderliche Profil hohl ist.
In der französischen Patentanmeldung Nr. 96 11 378 sind Beispiele für Gravurprofile für Beugungsmuster angegeben.
Das Gravieren kann beispielsweise nach einem makrolithographischen Verfahren durchgeführt werden, das auf einem chemischen und/oder physikalischen Ätzen des Substrats, beispielsweise einem Säureätzen, einer Elektronenbombardierung oder einer lonenbombardierung RIE oder RIBE oder einem Beschreiben mit einem Laser basiert.
So umfasst die Herstellung einer Matrix im allgemeinen eine Stufe zur Abscheidung eines Aufzeichnungsmaterials, eine Belichtungsstufe, in deren Verlauf die holographische Aufzeichnung der Interferenzfigur durchgeführt wird, eine Entwicklungsstufe, in deren Verlauf die chemische Entfernung des nicht-belichteten Materials durchgeführt wird, und schließlich eine Gravierstufe, beispielsweise zum Eingravieren des Beugungsprofils, vorzugsweise aus Siliciumdioxid, in das Substrat.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine gereinigte Matrix verwendet, bei Verwendung einer Matrix ist nämlich die Durchführung einer Vorbehandlung der Oberfläche erforderlich, die im Wesentlichen aus ihrer Reinigung besteht.
Die Matrix wird im allgemeinen in der Gasphase durch Berieseln mit einer geeigneten Flüssigkeit durchgeführt, die zum Sieden erhitzt worden ist, ausgewählt beispielsweise unter den perfluorierten Flüssigkeiten, den "Freonen" und ihren Substitutionsprodukten, wie z. B. dem Produkt, das im Handel unter der Bezeichnung CFT 130 von der Firma ATEC^® erhältlich ist.
Desgleichen wird das Substrat des Kopienträgers gereinigt, beispielsweise durch Abreiben seiner Oberfläche mit einer wässrigen Beizlösung, beispielsweise einer verdünnten Fluorwasserstoffsäure- oder Natriumhydroxid-Lösung und dann mit einem Tensid.
Das Substrat des Kopienträgers besteht aus einem Material, das im allgemeinen ausgewählt wird unter den Silicatgläsern.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und zum Teil zur Konditionierung der Matrix bringt man auf die gereinigte Oberfläche ein Entformungsmittel auf unter Anwendung eines Flüssigphasen-Abscheidungsverfahrens.
Das Flüssigphasen-Abscheidungsverfahren kann jedes Verfahren zur Abscheidung in wässriger Phase sein, das beispielsweise unter der Bezeichnung Tauchbeschichtung (in Englisch "Dip coating"), Schleuderbeschichtung (in Englisch "Spin coating"), laminate Fließbeschichtung (in Englisch "Laminar flow coating") oder Vergießen unter Verwendung eines horizontalen Messers (in Englisch "Tape coating") oder Sprühbeschichtung (in Englisch "Spray coating") bekannt ist.
Das Tauchbeschichtungsverfahren wird bevorzugt angewendet, weil es im allgemeinen eine bessere Einheitlichkeit der Abscheidung entlang der Ausrichtung des zu kopierenden Profils gewährleistet.
Das Entformungsmittel, dessen Rolle darin besteht, die Trennung der Kopie von der Matrize zu erleichtern, wird vorzugsweise ausgewählt unter den Fluoroalkylalkoxysilanen und unter den Fluoroalkylchlorosilanen, beispielsweise das (Tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl)-1-trichlorosilan.
Das Entformungsmittel wird im allgemeinen in Form einer Lösung in einem geeigneten Lösungsmittel aufgebracht, wobei dieses Lösungsmittel im allgemeinen ausgewählt wird unter den Alkoholen, bei denen es sich handelt um primäre, sekundäre oder tertiäre Alkohole, unter den perfluorierten Lösungsmitteln und den Chlorofluoroalkanen (Freonen).
Die Alkohole werden vorzugsweise unter den linearen oder verzweigten aliphatischen Alkoholen mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen ausgewählt.
Die perfluorierten Lösungsmittel werden vorzugsweise ausgewählt unter den Perfluoroalkylaminen, wie z. B. den Verbindungen, die im Handel erhältlich sind unter der Bezeichnung Fluorinert^® der FC-Reihe von der Firma 3M, den Perfluoropolyethern, wie z. B. den im Handel unter der Bezeichnung Galden® der Reihe HT erhältlichen Verbindungen von der Firma Ausimont-Montedison und den Perfluoroalkanen.
Die "Freone" werden vorzugsweise ausgewählt unter den im Handel unter der Bezeichnung Flutec^® von der Firma Rhône-Poulenc oder unter der Bezeichnung CFT^® von der Firma ATEC erhältlichen Verbindungen.
Die Konzentration des Entformungsmittels in der Lösung beträgt im allgemeinen 0,1 bis 2 Massenprozent, d. h. es handelt sich dabei vorzugsweise um eine verdünnte Lösung.
Vorzugsweise verwendet man eine Lösung mit 1 Massenprozent (Tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl)-1-trichlorosilan, (im Handel erhältlich beispielsweise von der Firma HULS^®) als Entformungsmittel, in der Verbindung der Formel:
als Lösungsmittel, wobei die zuletzt genannte Verbindung im Handel unter der Bezeichnung Galden^® HT 110 von der Firma Ausimont-Montedison^® erhältlich ist.
Die Dicke des Überzugs aus dem Entformungsmittel beträgt im allgemeinen 1 bis 20 nm.
Immer im Rahmen der Konditionierung der Matrix untenrwirft man die mit dem Entformungsmittel bedeckte Matrix anschließend einer thermischen Behandlung, um die Bepfropfung nach der Abscheidung zu fördern.
Die thermische Behandlung wird im allgemeinen bei einer Temperatur von 100 bis 200°C, vorzugsweise von 150°C, für eine Dauer von 5 bis 30 min, vorzugsweise von 15 min, durchgeführt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird andererseits (d. h. getrennt von der Konditionierung der Matrix) und zur Herstellung eines Kopienträgers

– ein Haftungspromotor oder ein Kuppler auf ein gereinigtes Substrat aufge

bracht unter Anwendung eines Flüssigphasen-Abscheidungsverfahrens.
Dieser Haftungspromotor oder Kuppler hat die Aufgabe, die Verankerung des replizierten Materials auf seinem Träger zu erleichtern.
Das angewendete Flüssigphasen-Abscheidungsverfahren wird im allgemeinen ausgewählt unter den oben bereits genannten Verfahren, vorzugsweise wendet man eine Tauchbeschichtung oder eine Schleuderbeschichtung an.
Der Haftungspromotor oder Kuppler wird vorzugsweise ausgewählt unter den Fluoroalkylalkoxysilanen und den Epoxyalkylalkoxysilanen.
Der Haftungspromotor wird im allgemeinen in Form einer Lösung in einem geeigneten Lösungsmittel aufgebracht, wobei dieses Lösungsmittel im allgemeinen ausgewählt wird unter den Alkoholen und unter den perfluorierten Lösungsmitteln, vorzugsweise den linearen oder verzweigten aliphatischen Alkoholen mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen, wie z. B. 1-Butanol.
Die Konzentration des Kupplers oder Haftungspromotors beträgt im allgemeinen 0,5 bis 3 Massenprozent, d. h. es handelt sich dabei vorzugsweise um eine verdünnte Lösung.
Vorzugsweise verwendet man eine Lösung mit 2 Massenprozent 1H,1H,2H,2H-Perfluorodecyltriethoxysilan in 1-Butanol.
Die Dicke des Überzugs aus dem Kuppler oder Haftungspromotor beträgt im allgemeinen 1 bis 20 nm.
Immer im Rahmen der Herstellung des Kopienträgers unterwirft man das mit dem Haftungspromotor oder dem Kuppler bedeckte Substrat anschließend einer thermischen Behandlung, um die Bepfropfung nach der Abscheidung zu fördern.
Die thermische Behandlung wird im allgemeinen bei einer Temperatur von 100 bis 200°C, vorzugsweise von 150°C, für eine Dauer von 5 bis 30 min, vorzugsweise von 15 min, durchgeführt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bringt man zur Beendigung einerseits der Konditionierung der Matrix und andererseits der Herstellung des Kopienträgers unter Anwendung eines Flüssigphasen-Abscheidungsverfahrens ein Kopienmaterial, auch als Profilierungsmaterial oder Pressmaterial bezeichnet, sowohl auf die Matrix, die mit dem Entformungsmittel bedeckt ist, die wie vorstehend beschrieben thermisch behandelt wurde, als auch auf das Substrat, das mit dem Promotor oder Kuppler bedeckt ist, das wie vorstehend beschrieben thermisch behandelt wurde, auf
Diese Stufe des Aufbringens des Kopienmaterials, sei es auf die Matrix oder auf das Substrat, wird unter den gleichen Bedingungen durchgeführt.
Im erstgenannten Fall oder bei der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Verfahren eher als Gieß-Replikationsverfahren bezeichnet und im zweitgenannten Fall oder bei der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Verfahren eher als Press-Replikationsverfahren bezeichnet.
Das heißt, wenn sich das zu replizierende Material auf der Matrix befindet, spricht man vom "Gießen" und wenn sich das zu replizierende Material auf dem Träger befindet, spricht man von Pressen.
Es sei darauf hingewiesen, dass, wie aus der vorstehenden und nachfolgenden Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens eindeutig hervorgeht, die beiden Varianten des Verfahrens, was den wesentlichen Teil ihrer Stufen angeht, ähnlich sind und sich nur geringfügig unterscheiden durch den Träger oder das Substrat, auf den (das) – bei im übrigen gleichen Bedingungen – das Kopienmaterial aufgebracht ist.
Das Flüssigphasen-Abscheidungsvertahren, das für die Abscheidung des Kopienmaterials angewendet wird, wird im allgemeinen ausgewählt unter den weiter oben bereits genannten Verfahren, vorzugsweise wendet man das Tauchbeschichten oder Schleuderbeschichten an.
Das Kopienmaterial wird im allgemeinen ausgewählt unter den Materialien, die für die Herstellung von optischen Komponenten geeignet sind.
Im Rahmen insbesondere der bevorzugten Anwendung der Erfindung, d. h. für die Herstellung von optischen Beugungskomponenten, wie z. B. Beugungsgittern, ist dieses Material vorzugsweise ein Material mit einer hohen Durchlässigkeit im Wellenlängenbereich von Ultraviolett (250 bis 400 nm), im sichtbaren Bereich (400 bis 800 nm) oder im nahen Infrarotbereich (800 bis 2000 nm) und vorzugsweise mit einer erhöhten Beständigkeit gegen einen Laserstrahl, d. h. im allgemeinen von > 12 J/cm² bei 351 nm und 3 ns Impulsdauer oder von > 25 J/cm² bei 1053 nm und 3 ns Impulsdauer.
Zur Herstellung anderer (weiterer) optischer Elemente wird das Material, das geeignete Eigenschaften aufweisen soll, an die für diese Komponente geltenden Bedingungen angepasst, in jedem der Fälle erlaubt jedoch das erfindungsgemäße Verfahren eine genaue Wiedergabe (Replikation) unter gleichzeitiger Beibehaltung der Gesamtheit der erforderlichen Eigenschaften des Materials.
Das Kopienmaterial wird somit im allgemeinen ausgewählt unter den fluorierten Polymeren, vorzugsweise den thermoplastischen fluororganischen Polymeren, den Vinylpolymeren und den durch Sol-Gel-Synthese hergestellten Materialien.
Die thermoplastischen fluororganischen Polymeren werden vorzugsweise ausgewählt unter den Homopolymeren und Copolymeren, die vorzugsweise amorph sind, wie sie bei der Homopolymerisation eines Perfluorosilans oder bei der Copolymerisation eines Perfluoroalkens wie Tetrafluoroethylen mit einem anderen Monomeren, vorzugsweise einem pertluorierten Monomeren, wie z. B. Perfluorodioxol, erhalten werden.
Beispiele für solche Polymere und Copolymere sind die im Handel unter der generellen Bezeichnung Teflon^® erhältlichen Produkte, wie z. B. Teflon^® AF von der Firma Du Pont de Nemours.
Die Teflone AF^® werden erhalten bei der Copolymerisation einer Mischung von Tetrafluoroethylen (TFE) und 2,2-Bistrifluoromethyl-4,5-difluoro-1,3-dioxol (PDD).
Bevorzugt ist insbesondere Teflon AF^® 1600, das eine Tg von 160°C hat.
Ein anderes Beispiel für ein solches fluororganisches Polymer ist das Produkt vom löslichen Organofluorocycloether-Polymer-Typ, wie es von der Firma ASAHI GLASS COMPANY unter der Bezeichnung CYTOP^® erhältlich ist und das die Formel hat (-CF₂-CF(CF₂)(O-CF₂-CF₂)CF-CF₂-)_n
Die Vinylpolymeren werden vorzugsweise ausgewählt unter den Polyvinylpyrrolidonen (PVP), den Polyvinylalkoholen und den Polyvinylbutyralen.
Die durch Sol-Gel-Synthese hergestellten Materialien, die das Kopienmaterial aufbauen, sind im allgemeinen Materialien auf Basis von Oxiden, die unter den Metall- und Metalloidoxiden und den Mischungen dieser Oxide ausgewählt werden.
Unter den Metalloxiden oder Metalloidoxiden können beispielsweise genannt werden Titanoxid, Tantaloxid, Yttriumoxid, Scandiumoxid, Zirkoniumoxid, Hafniumoxid, Thoriumoxid, Nioboxid, Lanthanoxid, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid und Siliciumoxid.
Unter der Sol-Gel-Synthese versteht man ein beliebiges der Verfahren, die dem Fachmann unter der Bezeichnung "Sol-Gel-Verfahren" bekannt sind, bei dem das Sol-Gel-Material (d. h. das durch Sol-Gel-Synthese hergestellte Material) auf Basis eines Metalloxids oder Metalloidoxids im allgemeinen durch Hydrolyse-Kondensation von Vorläufer-Verbindungen, beispielsweise von metallorganischen Vorläufer-Verbindungen wie Alkoxiden oder Metallsalzen, wie z. B. Chloriden, Nitraten oder anderen, hergestellt wird.
Allgemein können die Systeme der Sol-Gel-Verfahren unterteilt werden – ohne dass dies eine Beschränkung darstellt – in zwei Kategorien: das heißt einerseits in die Polymer-Verfahren oder -Systeme und andererseits in die Kolloidal-Verfahren oder -Systeme.
Das durch Sol-Gel-Synthese hergestellte Kopienmaterial wird daher beispielsweise als polymeres oder oligomeres Material oder auch als kolloidales oder auch als zusammengesetztes (Verbund-)Material bezeichnet; es kann sich dabei handeln um ein Material auf Basis eines beliebigen der Metall- und Metalloidoxide und ihrer Mischungen, wie sie weiter oben angegeben sind.
Ein bevorzugtes Material ist das als "polmere Kieselsäure" bekannte Siliciumdioxid, auch als "oligomere Kieselsäure" bezeichnet.
Ein solches Siliciumdioxid wird mit Hilfe eines der folgenden vier Typen von Behandlungslösungen hergestellt:

– polymeres SiO₂ in einem HCI-Medium, hergestellt aus einer Mutterlösung mit einer Konzentration an SiO₂ von 10,6%, einem Molverhältnis [H2O]/[SiO₂] von 10 und einem pH-Wert in der Nähe von 2, das einen Monat lang reifen gelassen und dann bis zur Erzielung einer SiO₂-Konzentration von 3,75% verdünnt worden ist;
– polymeres SiO₂ in einem HNO₃-Medium, das unter den gleichen Bedingungen wie oben hergestellt worden ist; und
– SiO₂, das nach den Bedingungen hergestellt worden ist, die von S. MAEKAWA und T. OHISHI in "J. Of Non-Crystalline Solids", 1994, 169, S. 207, vorgeschlagen worden sind ([SiO₂] = 2,4%, [H₂O]/[SiO₂] = 12 und pH ≈ 2, Rühren für eine Nacht, jedoch ohne die Lösung gegen UV-Strahlen zu isolieren, im Gegensatz zu den Angaben in der Publikation).

Es sei darauf hingewiesen, dass die Verwendung von SiO₂, das hergestellt worden ist aus einer Mischung von Tetraethoxysilan in einem ethanolischen Medium mit einer HCl-sauren Katalyse-Lösung wie ([SiO₂] = 2,4%, [H₂O]/[SiO₂] = 2,4, [H₂O]/[SiO₂] = 12 und pH ≈ 2, nach dem Rühren für eine Nacht, immer ohne Isolierung gegenüber UV-Strahlen der oben genannten Herstellung äquivalent ist.
Die beiden zuletzt genannten Präparate werden als "oligomeres Siliciumdioxid" bezeichnet.
Noch ein weiterer Typ eines Kopienmaterials, das durch Sol-Gel-Synthese hergestellt werden kann, ist ein Verbundmaterial, das Kolloide eines Metalloxids, vorzugsweise von Siliciumdioxid, umfasst, die in einem Bindemittel, vorzugsweise einem Siloxan-Bindemittel, eingehüllt sind, wobei ein solches Material beispielsweise als "Verbund-Siliciumdioxid" bezeichnet wird.
Wie bereits weiter oben angegeben, hängt das gewählte Kopienmaterial ab von dem optischen Element, das man herzustellen wünscht, und insbesondere von dem Wellenlängenbereich, in dem es eingesetzt werden soll.
So werden unter den drei oben genannten Familien von Kopienmaterialien die fluororganischen Polymeren vorzugsweise für eine Verwendung in einem breiten Spektralbereich eingesetzt, der von Ultraviollett bis zum nahen Infrarot geht, im Hinblick auf ihre ausgezeichneten optischen Eigenschaften und ihre Beständigkeit gegen Laserstahlen in diesem Bereich, während die Sol-Gel- oder Vinyl-Materialien zweckmäßig geeignet sind für eine Verwendung im sichtbaren oder nahen infraroten Bereich.
Im Falle der fluororganischen Polymeren und der Vinylpolymeren wird das Kopienmaterial im allgemeinen in Form einer Lösung in einem geeigneten Lösungsmittel verwendet; dieses Lösungsmittel wird allgemein ausgewählt unter den Alkoholen, den perfluorierten Lösungsmitteln und den Chlorofluoroalkanen (Freonen).
Diese Lösungsmittel sind bereits weiter oben im Rahmen der Verwendung des Entformungsmittels näher beschrieben worden.
Die Konzentration des fluororganischen Polymer- oder Vinylpolymer-Kopienmaterials in der Lösung beträgt im allgemeinen 1 bis 12 Massenprozent, vorzugsweise 6 Massenprozent.
Vorzugsweise verwendet man als Kopienmaterial für die Replikation eines Beugungsmusters, das im ultravioletten Bereich arbeitet, das weiter oben genannte Teflon^®AF 1600, dessen Glasumwandlungstemperatur Tg 160°C beträgt.
Dieses Kopienmaterial liegt verdünnt entweder in dem Lösungsmittel FC 75^®, das von der Firma 3M erhältlich ist, bei dem es sich um ein Perfluoroalkylamin handelt, oder in Galden^® HT110, das von der Firma Ausimont im Handel erhältlich ist, in einem Mengenanteil von 1 bis 12 Massenprozent, vorzugsweise von 6 Massenprozent vor.
Die Abscheidungs-Bedingungen können leicht bestimmt werden in Abhängigkeit von der Dicke des abgeschiedenen Films, die im allgemeinen 0,1 bis 5 μm beträgt und die beispielsweise bestimmt wird als Funktion der Tiefe des zu kopierenden Profils.
So wird beispielsweise mit einer Lösung von Teflon AF^® in einer Konzentration von 6 Massenprozent eine Dicke von 0,7 μm in einer einzigen Schleuderbeschichtung aufgebracht mit einer Geschwindigkeit von 700 Upm.
Desgleichen können die Bedingungen der Abscheidung für den Fall von Kopienmaterialien, die durch Sol-Gel-Synthese hergestellt worden sind, leicht bestimmt werden in Abhängigkeit von der Dicke des abgeschiedenen Überzugs oder Films, die im allgemeinen 0,1 bis 5 μm beträgt.
Wenn man einen Überzug einer beträchtlichen Dicke von beispielsweise 1 bis 5 μm abscheidet, kann man ihn nicht nur in einer, sondern auch in mehreren Ab scheidungsstufen abscheiden, d. h. in 2 bis 10 Stufen, bei denen man jedesmal eine Schicht des Kopienmaterials mit einer Dicke von 0,5 bis 2 μm abscheidet.
Erfindungsgemäß unterwirft man die Matrix oder das Substrat, die (das) auf diese Weise mit dem Kopienmaterial beschichtet ist, einer thermischen Behandlung, um die Bepfropfung nach der Abscheidung zu fördern.
Die thermische Behandlung wird im allgemeinen bei einer Temperatur von 100 bis 350°C, vorzugsweise von 250°C, für eine Zeitdauer von 15 bis 60 min, vorzugsweise von 30 min, durchgeführt.
Für den Fall, dass das Kopienmaterial ein Vinylpolymer oder ein fluororganisches Polymer ist, liegt die Behandlungstemperatur im allgemeinen oberhalb der Tg (der Glasumwandlungstemperatur) des genannten Polymers, die im Fall von Teflon AF^® 1600 beispielsweise 250°C beträgt.
Wenn der Überzug aus dem Kopienmaterial, wie weiter oben angegeben, eine beträchtliche Dicke von beispielsweise 1 bis 5 μm hat, d. h. für den Fall, dass dieser Überzug in mehreren Stufen aufgebracht, abgeschieden wird ("Mehrfachabscheidung"), wobei jedesmal eine Schicht aus dem Kopienmaterial abgeschieden wird, führt man vorzugsweise nach jeder Abscheidungsstufe eine Zwischenbehandlung bei einer Temperatur von 100 bis 250°C, vorzugsweise von 150°C, für eine Dauer von 5 bis 30 min, vorzugsweise von 15 min, durch.
Man kann die thermische Behandlung auch mit dem gesamten Überzug, der nach allen Abscheidungsstufen abgeschieden worden ist, durchführen.
Erfindungsgemäß und vor der Pressstufe bringt man die so konditionierte Matrix und den so hergestellten Kopienträger getrennt auf die Presstemperatur.
Das heiß mit anderen Worten, die Matrix und der Kopienträger, die sorgfältig hergestellt worden sind, müssen getrennt auf eine erhöhte Temperatur gebracht werden.
Die beiden Elemente werden somit getrennt auf die minimale Presstemperatur gebracht, die im allgemeinen 100 bis 350°C, vorzugsweise 250°C, beträgt.
Für den Fall, dass das Kopienmaterial ein Vinylpolymer oder ein fluororganisches Polymer ist, liegt diese Presstemperatur im allgemeinen oberhalb der Tg des genannten Polymers, beispielsweise liegt diese Presstemperatur oberhalb 250°C im Falle von Teflon^® AF 1600.
Erfindungsgemäß fügt man anschließend die Matrix und den Kopienträger zusammen, wobei dieses Zusammenfügen der beiden Elemente beispielsweise durch mechanisches Zusammenfügen erfolgt.
Anschließend führt man das Pressen oder Tiefziehen (Prägen) der Matrix auf dem Kopienträger durch (erste Variante: Replikationsverfahren durch Pressen), oder man führt das Pressen des Kopienträgers auf die Matrix durch (zweite Variante: Replikationsverfahren durch Gießen).
Dieses Pressen oder Tiefziehen (Prägen) wird beispielsweise unter Anwendung eines rein mechanischen Verfahrens, eines hydraulischen Verfahrens oder eines pneumatischen Verfahrens durchgeführt.
Die Temperatur und der Druck der Element müssen im allgemeinen gleichzeitig aufrechterhalten werden, um die Genauigkeit der Wiedergabe zu gewährleisten.
Man hält die oben genannte Temperatur und den Druck beim Zusammenfügen für eine ausreichende Zeitspanne aufrecht, um die Replikation zu gewährleisten.
Der Druck beim Pressen beträgt im allgemeinen 1 bis 50 MPa und er wird für eine Zeitdauer von 1 bis 15 min angelegt.
Vorzugsweise verwendet man im Falle von Teflon AF^® 1600 eine hydraulische Presse, beispielsweise eine solche der Marke Hydromat^® bei einem Druck von 10 MPa für eine Zeitspanne von 5 min.
Das Erhitzungssystem wird anschließend gestoppt und die Temperatur der Gesamtheit von Matrix und Kopie wird durch natürliches Abkühlen abnehmen gelassen.
Parallel dazu wird der Druck bis zur Zurückkehr zur Umgebungstemperatur aufrechterhalten.
Die replizierte Kopie wird dann beim Entformen von der Matrix getrennt.
Dieser Vorgang, der darin besteht, den Kopienträger von der Matrix zu trennen, wird im allgemeinen ohne spezielle Unterstützung durchgeführt bei Umgebungstemperatur oder gegebenenfalls in der Wärme, beispielsweise bei einer Temperatur von 50 bis 200°C, in jedem Fall jedoch bei einer Temperatur unterhalb der Tg des Polymers, das gegebenenfalls das Kopienmaterial aufbaut.
Die folgenden Beispiele, die nur der Erläuterung und keineswegs der Beschränkung dienen, erläutern das erfindungsgemäße Verfahren.
Beispiel 1
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren (Press-Replikations-Variante) stellt man die replizierte Kopie eines Beugungsgitters bei 351 nm her, das 2497 Linien/mm und eine Tiefe und einen Füllungsgrad, wie in der folgenden Tabelle I angegeben, aufweist. Die Verfahrensbedingungen sind im allgemeinen diejenigen, wie sie weiter oben angegeben worden sind, mit den folgenden Besonderheiten:
Konditionierung der Matrix:

– Matrix: Siliciumdioxid
– Entformungsmittel: (Tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl)-trichlorsilan, bezogen von der Firma HULS®, aufgebracht durch Tauchbeschichten mit einer Entnahmegeschwindigkeit von 5 cm/min in Form einer 1 massenprozentigen Lösung in dem Lösungsmittel Galden^®HT 110;
– thermische Behandlung der mit dem Entformungsmittel bedeckten Matrix: 150 °C während 15 min (Erwärmung in einem Trockenschrank).

Herstellung des Kopienträgers:

– Substrat: Siliciumdioxid
– Naftungspromotor: 1N,1N,2N,2H-Perfluorodecyltriethoxysilan, bezogen von der Firma PCR^® Inc., aufgebracht durch Schleuderbeschichten mit 700 UpM in Form einer 2 massenprozentigen Lösung in 1-Butanol;
– thermische Behandlung des Substrats: 150°C während 15 min (Erwärmung im Trockenschrank);
– Kopienmaterial: Teflon AF^® 1600;
– Aufbringen des Kopienmaterials in Form eines einzigen Überzugs durch Schleuderbeschichten mit einer Geschwindigkeit von 700 UpM in Form einer 6 massenprozentigen Lösung in dem Lösungsmittel Galden^® HT 110;
– Dicke der Abscheidung 1 μm
– thermische Behandlung des Substrats, das von dem Kopienmaterial bedeckt ist: 250°C während 30 min;
– Erhitzen der Matrix und des Kopienträgers: das Erhöhen der Temperatur wird durchgeführt durch Banderhitzen und die minimale Presstemperatur beträgt 270°C. Tiefziehpressen:

Das Pressen wird in einer hydraulischen Presse der Marke HYDROMAT^® bei einem Druck von 10 MPa bei 270°C für eine Dauer von 5 min durchgeführt.
Die Eigenschaften der replizierten Kopie aus TEFLON^® des erhaltenen Gitters (Tiefe, Füllungsgrad) sind in der Tabelle I angegeben.
Beispiel 2
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren stellt man eine replizierte Kopie eines Beugungsmusters bei 1053 nm her, das 802 Linien pro mm umfasst und eine Tiefe und einen Füllungsgrad hat, wie sie in der Tabelle I angegeben sind.
Die Verfahrensbedingungen sind die gleichen wie in dem obigen Beispiel 1 angegeben.
Die Charakteristika der replizierten Kopie aus TEFLON^® des erhaltenen Gitters sind in der Tabelle I angegeben.
Tabelle I
Die experimentellen Angaben der Tabelle I zeigen die Genauigkeit der Replikation (Wiedergabe) nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Es ist insbesondere festzustellen, dass die erzielten Tiefen äquivalent zueinander sind und dass die Füllungsgrade der Matrix und der entsprechenden Kopie komplementär zueinander sind.
Beispiel 3
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren (durch Pressen) stellt man eine replizierte Kopie aus Teflon AF^® eines Beugungsmusters her, dessen Matrix mit 150 Linien/mm graviert worden ist, wobei die Linien eine Tiefe von 1,97 μm haben.
Die Matrix und die Kopie werden durch ein Mikroskop mit Tunneleffekt betrachtet, wobei man feststellt, dass das Profil vollständig beibehalten worden ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines optischen Elements durch Replikation, wobei man von einer Matrize ausgeht, wobei man einerseits und um die Matrize zu konditionieren, – durch Flüssigphasenabscheidung ein Entformungsmittel auf die gereinigte Matrix aufbringt und – die mit dem Entformungsmittel bedeckte Matrix einer thermischen Behandlung unterwirft; und andererseits und um einen Kopierträger herzustellen, – durch Flüssigphasenabscheidung einen Haftungspromotor oder einen Kuppler auf ein gereinigtes Substrat aufbringt und – das mit dem Haftungspromotor oder dem Kuppler bedeckte Substrat einer thermischen Behandlung unterwirft; und um entweder einerseits die Behandlung der Matrix oder andererseits die Herstellung des Kopienträgers zu beenden, durch Flüssigphasenabscheidung ein Kopienmaterial entweder auf die mit dem Entformungsmittel bedeckte, thermisch behandelte Matrix oder auf das mit dem Haftungspromotor oder dem Kuppler bedeckte, thermisch behandelte Substrat aufbringt und die Matrix oder das Substrat, die (das) mit dem Kopienmaterial bedeckt ist, einer thermischen Behandlung unterzieht; – die so konditionierte Matrix und den so hergestellten Kopienträger getrennt auf die Presstemperatur bringt; – die Matrix und den Kopienträger zusammenfügt und entweder die Matrix auf den Kopienträger presst oder den Kopienträger auf die Matrix presst; – die Temperatur und das Pressen der Gesamtanordnung für eine ausreichende Zeitspanne aufrechterhält, um die Replikation zu gewährleisten; und – nach dem Abkühlen den Kopienträger, der das replizierte optische Element trägt, von der Matrix trennt.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Entformungsmittel ausgewählt wird unter den Fluoroalkylalkoxysilanen und den Fluoroalkylchlorosilanen.
Verfahren nach Anspruch 2, worin das Entformungsmittel das (Tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl)-1-trichlorosilan ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das Entformungsmittel durch Aushärtungsschrumpfen aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die thermische Behandlung der mit dem Entformungsmittel bedeckten Matrix bei einer Temperatur von 100 bis 200°C 5 bis 30 min lang durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Kuppler oder Haftungspromotor ausgewählt wird aus den Fluoroalkylalkoxysilanen und den Epoxyalkylalkoxysilanen. 7. Verfahren nach Anspruch 6, worin der Kuppler oder Haftungspromotor 1H,1H,2N,2H-Perfluorodecyltriethoxysilan ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Haftungspromotor oder Kuppler durch Abschreckungsschrumpfen oder Schleuderbeschichten aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die thermische Behandlung des mit dem Haftungspromotor oder dem Kuppler bedeckten Substrats bei einer Temperatur von 100 bis 200°C 5 bis 30 min lang durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Kopienmaterial ausgewählt wird unter den fluorierten Polymeren, den Vinylpolymeren und den durch Sol-Gel-Synthese hergestellten Materialien.
Verfahren nach Anspruch 10, worin die fluorierten Polymeren ausgewählt werden unter den Homopolymeren und Copolymeren, die hergestellt wurden durch Polymerisation eines Perfluoroalkens oder Copolymerisation eines Perfluoroalkens mit einem anderen perfluorierten Monomer wie einem Perfluorodioxol, und den Polymeren von Organofluorocycloethern.
Verfahren nach Anspruch 11, worin das Perfluoroalken das Tetrafluoroethylen ist und das andere perfluorierte Monomer ein Perfluorodioxol ist.
Verfahren nach Anspruch 12, worin die Copolymeren hergestellt wurden durch Copolymerisation einer Mischung von Tetrafluoroethylen und 2,2-Bistrifluoromethyl-4,5-difluoro-1,3-dioxol.
Verfahren nach Anspruch 10, worin die Vinylpolymeren ausgewählt werden unter den Polyvinylpyrrolidonen, den Polyvinylalkoholen und den Polyvinylbutyralen.
Verfahren nach Anspruch 10, worin die durch Sol-Gel-Synthese hergestellten Materialien ausgewählt werden unter den Materialien auf Basis von Oxiden, die ausgewählt werden aus den Oxiden von Metallen, Metalloiden und Mischungen dieser Oxide.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 15, worin die durch Sol-Gel-Synthese hergestellten Materialien ausgewählt werden unter den polymeren, oligomeren, kolloidalen und zusammengesetzten (Verbund-)Materialien.
Verfahren nach Anspruch 16, worin das Kopienmaterial polymeres, oligomeres oder zusammengesetztes (Verbund-)Siliciumdioxid ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die thermische Behandlung der Matrix oder des Substrats, die (das) von dem Kopienmaterial bedeckt ist, bei einer Temperatur von 100 bis 350°C 15 bis 60 min lang durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Pressen bei einer Temperatur von 100 bis 350°C und bei einem Druck von 1 bis 50 MPa 1 bis 15 min lang durchgeführt wird.
Optisches Element, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19.
Optisches Element nach Anspruch 20, ausgewählt aus optischen Beugungselementen und Phasenmodulations-Elementen und Gegenständen oder Elementen, die ein Oberflächenrelief aufweisen.
Optisches Element nach Anspruch 21, bei dem es sich um ein Beugungsgitter handelt.
Optisches Element nach Anspruch 22, das große Dimensionen und/oder eine hohe Beständigkeit gegenüber dem Laserstrom eines Hochleistungslasers aufweist.