Produktion optischer Komponenten
Beschichtungsmessung und Fehlerkompensation im laufenden Prozess
Im BMBF-Verbundprojekt »Optische in-situ-Prozess-Sensorik für die hochproduktive Fertigung optischer Vielschichtsysteme (OptiLaySens)« haben Partner aus Forschung und Industrie ein neues Messverfahren für die Herstellung optischer Komponenten entwickelt, das die Schichtdicke mehrlagiger Schichtsysteme bereits während der Beschichtung erfasst und selbst kleinste Abweichungen sofort kompensiert.
Die Oberflächen von Präzisionsspiegeln in der Lasertechnik, optischen Filtern für Displays oder anderen komplexen Optiken bestehen aus mehrlagigen Schichtsystemen hoch- und niedrigbrechender transparenter Materialien. Die Anforderungen an die Genauigkeit der Abscheidung der einzelnen Schichten sind dabei sehr hoch: So sind für manche Anwendungen bereits Schichtdicken-Abweichungen von über einem Nanometer nicht mehr tolerierbar.
Um diese anspruchsvollen Schichtsysteme großflächig und unter Industriebedingungen präzise und reproduzierbar abzuscheiden, haben Wissenschaftler neuartige Sputter-Verfahren entwickelt, die sich durch eine hohe Produktivität und vor allem eine große Flexibilität bezüglich abscheidbarer Materialien, Schicht-Design und Schichteigenschaften auszeichnen. Um jedoch die unausweichlich entstehenden kleinen Abweichungen in der Schichtdicke direkt während des Beschichtungsprozesses auszugleichen, werden in-situ-Messsysteme benötigt, deren Mess- und Analysegeschwindigkeit auch für hohe Beschichtungsraten (typischerweise 3 nm/s) ausreicht und die gleichzeitig alle nötigen Informationen über das Schichtwachstum liefern.
Im Verbundvorhaben »Optische in-situ-Prozess-Sensorik für die hochproduktive Fertigung optischer Vielschichtsysteme (OptiLaySens)« haben der mittelständische Messtechnik-Entwickler LayTec AG, der Optik-Software-Entwickler W. Theiss Hard- and Software und das Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP ein Verfahren entwickelt, mit dem in Echtzeit das Schichtwachstum kontrolliert und auftretende Abweichungen noch während der Beschichtung kompensiert werden können: LayTec hat das spektrale Messsystem entwickelt und neue Auswerte-Algorithmen implementiert, am Fraunhofer FEP wurde die Messtechnik in industrienahe Sputter-Anlagen integriert und für anspruchsvolle Beschichtungen optimiert. So entstand ein vollautomatisch arbeitendes Beschichtungsmodul, bei dem durch Puls-Magnetron-Sputtern Substrate von bis zu 200 mm Durchmesser mit den hohen Beschichtungsraten von 3 nm/s veredelt werden konnten. Das Ingenieurbüro W. Theiss Hard- and Software hat darauf aufbauend optimale Algorithmen für die Messung und die Kompensation von Prozessschwankungen entwickelt.
Echtzeitmessung des kompletten Reflexionsspektrums der Oberfläche bis in den UV-Bereich hinein
Im Gegensatz zu bisher verwendeten Ein-Wellenlängen-Messmethoden kann mit dem neu entwickelten Verfahren im Bruchteil einer Sekunde ein komplettes Reflexionsspektrum der Oberfläche bis in den UV-Bereich hinein gemessen werden, wodurch auch dünne Einzelschichten, wie sie in anspruchsvollen Schichtsystemen verstärkt vorkommen, messbar werden. Aus dem Reflexionsspektrum werden noch während des Beschichtungsprozesses Informationen über die Schichtdicke gewonnen. Mit diesen Informationen können geringste Abweichungen, die bei der Beschichtung unvermeidlich auftreten, ausgeglichen werden. Ein im Projekt entwickelter Software-Algorithmus berechnet während der laufenden Beschichtung die notwendigen Korrekturen für das Design der nachfolgenden Schichten des Mehrlagen- Schichtsystems und übersetzt diese in konkrete Beschichtungsparameter, um auftretende Abweichungen der Schichtdicke zu kompensieren.
Die schnelle Erfassung der Schichtdicke noch während der Beschichtung sowie die direkte Umsetzung der notwendigen Prozessänderungen für die nachfolgenden Schichten wurden im Projekt an zwei wichtigen Anwendungen untersucht. Bei der Abscheidung von anspruchsvollen Breitband-Antireflex-Schichtsystemen und optischen Kantenfiltern unter industrienahen Bedingungen erzielte das Forscherteam eine sehr gute Präzision der optischen Eigenschaften von +/- 1 Prozent und eine Schichtdickengenauigkeit von +/- 0,5 Prozent.
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