Optische Hochleistungsschichten und flexible Optikfertigung

Im Zuge der rasanten Entwicklung der optischen Technologien wird für die nahe Zukunft ein gesteigerter Bedarf an hochwertigen, beschichteten Optikkomponenten erwartet. Neue wirtschaftliche und flexible Verfahren sind hier gefordert. Im Rahmen des PhotonicNet Forums „Innovative Beschichtungsverfahren für die Optischen Technologien“ am 02. März in Braunschweig wurden erste Ergebnisse aus den aktuellen BMBF-Verbundprojekten EIKon und IPOHS vorgestellt.

Beide Projekte beschäftigen sich mit den besonders viel versprechenden Zerstäubungsverfahren, die im Vergleich zu den heute noch vorherrschenden Verdampfungsverfahren um ein Vielfaches höhere Schichtbildungsenergien erzielen und somit Schichtsysteme von überragender optischer Qualität bei höchster Stabilität ermöglichen.

Im Projekt „Effiziente Ionenstrahlzerstäubungskonzepte für die flexible Optikfertigung“ (EIKon) arbeiten Optikunternehmen insbesondere aus dem PhotonicNet mit Ionenquellen- und Anlagenhersteller sowie dem Laser Zentrum Hannover als Forschungseinrichtung zusammen. Das Ionenstrahlsputtern (Ion Beam Sputtering, IBS) liefert dünne Schichten höchster optischer Qualität in gut kontrollierbaren und reproduzierbaren Prozessen. So gibt es heute für die Beschichtung von Laserspiegeln kein vergleichbares Verfahren mit gleichermaßen geringen optischen Verlusten. Den Vorteilen standen aber klare Nachteile gegenüber, weshalb IBS bis heute auf Spezialanwendungen im Bereich Laserkomponenten, Telekommunikation oder in der noch jungen EUV-Technologie beschränkt blieb.
Ziel des EIKon-Projektes war und ist daher vor allem, das IBS-Verfahren zu einem wirtschaftlich interessanten Konzept mit einer breiten Anwendungspalette zu entwickeln. Zentrale Anforderungen sind dabei die Steigerung der Beschichtungsrate auf mehr als 1nm/s, eine höhere Schichtdickenhomogenität sowie die Einsatzbarkeit für Optiken bis zu 30 cm Durchmesser. Zudem möchte man flexibler bei der Wahl der Materialien sein.

Die bisherigen Ergebnisse sind viel versprechend: Mit skalierbaren, rechteckigen Gitterquellen (ECR, HF) und kompakten gitterlosen Plasmaquellen sowie einer verbesserten Strahlfokussierung konnte bereits eine deutliche Effizienzsteigerung erreicht werden. Prozesse, die früher 22 Stunden benötigten, dauern jetzt nur noch ein Drittel der Zeit. Die im Rahmen des Vorhabens untersuchten ECR- und HF-Quellen konnten optimiert und für einen zuverlässigen Betrieb mit langen Wartungsintervallen qualifiziert werden. Noch erreicht die Sputterrate mit 0,5 nm/s nicht das angestrebte Ziel, bewegt sich aber bereits im Bereich konkurrierender Verfahren. Die weitere Qualifikation des Verfahrens für die Herstellung hochwertiger Optik-Komponenten mit einer gesteigerten Prozessautomatisierung sind nun noch wichtige Ziele.

Bei dem zweiten vorgestellten Vorhaben „Innovative Produktionskonzepte für optische Hochleistungsschichten“ (IPOHS) stehen reaktive Magnetron-Kathoden-Zerstäubungsverfahren im Vordergrund, bei denen oxidische Schichten mittels gepulster Plasmen hergestellt werden. Magnetronsputtern ist eine gut etablierte Technologie für eine Reihe von Anwendungen mit hervorragenden Schichteigenschaften, Aufskalierbarkeit bis hin zur Großflächenbeschichtung, Steuerbarkeit und Homogenität besonders für flache Oberflächen. Bereits im breiten Einsatz ist das Magnetronsputtern für die Solar-Kontrolle bei Architektur- und Autoglas sowie bei optischen Filtern. Für die Herstellung optischer Präzisionsschichten findet das Verfahren allerdings noch wenig Anwendung. Dabei weisen präzise optische Schichten ein hohes Marktpotenzial auf: Sie werden z.B. für Digitalkameras, Displays, in der Beleuchtungsindustrie, der Photolithographie oder auch für funktionale bis dekorative Schichten im Haushaltsbereich benötigt.

Ziele des interdisziplinären Konsortiums, dessen wissenschaftliche Begleitforschung am Fraunhofer Institut für Schicht- und Oberflächentechnik in Braunschweig angesiedelt ist, konzentrieren sich daher auf die Entwickung von wirtschaftlichen Fertigungskonzepten hochpräziser optischer Mulitschichtsysteme auf mittleren und großen Flächen. Die Steigerung der Prozessqualität mit Toleranzen von 0.1% .. 0.5% auf weniger als 50 cm Kantenlänge fordert vor allem entsprechende Messverfahren für die in-situ Prozess- und Schichtkontrolle. Bisher konnten wesentliche Messverfahren wie die Elipsometrie, Reflektometrie und Spektrometrie am Sputterprozess kultiviert und in den Prozess integriert werden.

Mit großem Interesse verfolgten alle 55 Teilnehmer die Präsentationen am Fraunhofer IST. Zwölf der anwesenden Wissenschaftler und Industrievertreter bekundeten im Anschluss ihren Wunsch nach einer Weiterführung der angestoßenen Diskussionen im Rahmen eines vom Projektträger Karlsruhe (PTKA-PFT) angeregten Industriearbeitskreises „Sputtertechnik Optische Schichten“.

EIKon und IPOHS werden vom BMBF im Rahmen des Förderschwerpunkts „Forschung für die Produktion von Morgen“ gefördert. Die Projektbeteiligten dankten dem Projektträger PTKA-PFT ausdrücklich für die sehr produktive Zusammenarbeit.