Vorteile des Ionenstrahl-Sputterns für die Laseroptik in der Materialbearbeitung
VORTEILE DES IONENSTRAHLSPUTTERNS FÜR DIE LASEROPTIK IN DER MATERIALBEARBEITUNG
Gerade im Bereich der Lasermaterialbearbeitung sind Optikhersteller mit Anforderungen konfrontiert, die hohe Ansprüche an ihre Anlagen und Produktionsteams stellen. Das IBS-Verfahren bietet wichtige Parameter, die es ermöglichen, Werte zu erzielen, die mit klassischen Beschichtungsmethoden nicht zu erreichen sind.
ZUVERLÄSSIGE LASEROPTIK
für verschiedenste Lasertypen
Der Laser erobert immer mehr Lebensbereiche, und die technischen Anforderungen steigen weiter. Noch vor wenigen Jahren hätten Experten Laserenergien im Megajoule-Bereich und industrielle Materialbearbeitung im Femtosekundenbereich für Science Fiction erklärt. Heute müssen die Optikhersteller bereit sein, für solche Anwendungen in großen Stückzahlen zuverlässige Qualität zu liefern.
Zudem sind die technischen Anforderungen je nach Anwendungsbereich oft sehr unterschiedlich. So erfordern wissenschaftliche Petawatt-Systeme und ultrakurze industrielle Pulslaser besonders hohe Laserschadensschwellen - teilweise auf Substraten mit Durchmessern von 20 Zentimetern und mehr. Bei cw-Lasern, wie sie zum Schneiden und Schweißen verwendet werden, besteht die Herausforderung darin, eine möglichst geringe Absorption zu erreichen, damit sich das System nicht aufheizt und die Qualität nicht leidet.
Auch die Wellenlängenbereiche, in denen die Laserquellen emittieren, werden immer vielfältiger. Sie decken inzwischen fast das gesamte Spektrum ab. In der Mikrochip-Produktion wird zum Beispiel vor allem kurzwelliges UV-Licht eingesetzt, das ganz andere Anforderungen an die Optik stellt als Wellenlängen im sichtbaren und infraroten Bereich. Erschwerend kommt für die Optikhersteller hinzu, dass die Anforderungen der Kunden in gleichem Maße steigen. Während früher ein gewisser Spielraum für Toleranzen vorhanden war, sind die Systeme heute so ausgereizt, dass ihre Hersteller großen Wert auf die exakte Einhaltung aller Spezifikationen legen.
Die Branche bewegt sich daher fast zwangsläufig immer an der Spitze des technisch Machbaren. Die bestehenden Beschichtungsverfahren werden ständig weiter optimiert, um ihre Vorteile voll auszuschöpfen. Vorteile voll auszuschöpfen. Was derzeit möglich ist, soll hier am Beispiel der Ionenstrahl-Sputtertechnik (IBS) dargestellt werden.
IONENSTRAHL-ZERSTÄUBUNG
Für exzellentes gleichmäßiges Layern
Das Verfahren des Ionenstrahlsputterns unterscheidet sich grundlegend von anderen gängigen Verfahren. Beim E-Beam oder der ionenunterstützten Abscheidung (IAD) werden die Beschichtungsmaterialien verdampft, kondensieren auf dem Substrat und bilden eine Schicht. In einer IBS-Anlage wird das Beschichtungsmaterial auf einer Metallplatte - dem so genannten Target - vorbereitet. Ein reaktives Gas wie wie Sauerstoff oder Stickstoff wird zunächst über das Target geleitet, um die oxidischen Verbindungen für die transparenten dielektrischen Schichten zu erhalten. Um das Beschichtungsmaterial freizusetzen, wird ein hochenergetischer Ionenstrahl in der Reaktivgasatmosphäre auf das Target gerichtet. Die Ionen treffen mit einer Energie von 1 keV auf die Targetoberfläche, übertragen ihren Impuls auf die Moleküle und lösen eine Schockkaskade aus (siehe Abb. 1). Die Anzahl der gesputterten Teilchen lässt sich nach der folgenden Formel berechnen:
wobei e die Elementarladung, Nmax die Anzahl der Teilchen auf der Oberfläche (ca. 1015 cm-2), Y die Sputterausbeute (Anzahl der gesputterten Teilchen pro auftreffendem Ion) und IP der Primärstrom ist.1
Beim Sputtern wird den Molekülen des Beschichtungsmaterials eine wesentlich höhere kinetische Energie verliehen als bei Verdampfungsprozessen. Dies führt zu einer besseren Haftung auf dem Substrat, und es bilden sich besonders dichte und homogene Schichten.
In der Produktion kommt ein weiterer wichtiger Vorteil des IBS-Verfahrens zum Tragen: Alle wesentlichen Prozessparameter wie Streugeometrie (Streuwinkel), Ionenenergie, Einfallswinkel und das Verhältnis von Ionen zu Masse können unabhängig voneinander gesteuert werden. Das bedeutet, dass die Stöchiometrie und die Dicke der dielektrischen Schichten
genau an die Erfordernisse jeder einzelnen Anwendung angepasst werden.2 Wie sich dies im Einzelnen auswirkt, soll im Folgenden anhand einiger Beispiele erläutert werden:
VORTEILE
Beyond Borders
VERHINDERUNG VON REFLEXIONSSPITZEN MIT "SPEZIALSCHICHTEN"
In der Lasermaterialbearbeitung haben sich die Anforderungen an die Optik geändert. Leistungsstarke Faserlaser werden heute vor allem beim Schweißen, Schneiden und Bohren eingesetzt; andere Optiken zur Strahlführung werden nicht benötigt. Diese Optiken finden sich jedoch in den Systemen zur Überwachung der Arbeitsprozesse. Kameras im sichtbaren oder nahen IR-Bereich werden eingesetzt, um Fehler wie Schweißfunken oder Haarrisse schnell zu erkennen. Dichroitische Optiken verhindern, dass das intensive Licht des Lasers die zu überwachenden Prozesse überstrahlt. Die Schichtsysteme müssen so konstruiert sein, dass die Laserwellenlänge reflektiert wird, während der Filter die Überwachungswellenlängen zum Detektor durchlässt.
Die Herausforderung. Die Verwendung von Beschichtungen mit herkömmlichen λ/4-Stapeln für solche Optiken verursacht Probleme mit Reflexionsspitzen. Diese
treten bei allen Bruchteilen der gewünschten Wellenlänge auf.
Bei einem Nd:YAG-Laser (1064 nm) würden beispielsweise die Wellenlängen 532 nm (λ/2), 354,6 nm (λ/3), 266 nm (λ/4) usw. reflektiert werden (siehe Abb. 2).
Lösung. Dies kann vermieden werden, indem zusätzliche "Interferenzschichten" in den Schichtaufbau eingefügt werden, die diesen Effekt verhindern (siehe Abb. 3). Da diese Schichten sehr dünn sein müssen, lassen sie sich am besten mit dem IBS-Verfahren herstellen.
Auch der umgekehrte Effekt kann auf diese Weise erreicht werden: Dann kommt es darauf an, sehr gute Transmissionswerte zu erreichen und die Verluste bei der Bearbeitungswellenlänge gering zu halten.
1 https://www.chemie.de/lexikon/Sputtern.html
2 https://www.dentonvacuum.com/products-technologies/ion-beam/
PRAKTISCHE VORTEILE FÜR SPIEGEL
Das Ionensputtern bietet auch dann handfeste Vorteile, wenn besonders dicke Schichtstapel von mehreren µm erforderlich sind.
Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn möglichst viele Wellenlängen reflektiert werden sollen. Dafür werden große Mengen des Beschichtungsmaterials benötigt. Die Tiegel, in denen die Metalle im E-Beam- und IAD-Verfahren aufgedampft werden, haben eine sehr begrenzte Kapazität. Um die gewünschte Schichtdicke zu erreichen, müsste man den Beschichtungsprozess unterbrechen, um Material nachzufüllen. Dies ist natürlich fehleranfällig. Beim IBS hingegen kann das Target eine beliebige Dicke haben.
HOHE REFLEXION, GERINGE VERLUSTE
Bei der Lasermaterialbearbeitung müssen die Optiken einer cw-Laserleistung von mehreren kW standhalten. Raue Oberflächen verursachen unkontrollierte Streuungen, die die umliegenden mechanischen Elemente erhitzen und beschädigen können. Ist die Absorption zu hoch, erhitzen sich die Optiken selbst und werden zerstört. Gleichzeitig sind Reflexionen von mehr als 99,9 % erforderlich, um die Detektoren von Überwachungssystemen zu schützen. Das IBS-Verfahren bietet mehrere Vorteile:
Die große Schichtdicke ermöglicht besonders glatte Oberflächen, die eine Streuung des Lichts verhindern. Vor allem aber zahlt sich aus, dass dieses Sputterverfahren über viele "Stellschrauben" verfügt, mit denen der Beschichtungsprozess genau gesteuert werden kann. Nach der oben beschriebenen Formel kann der Ionenstrahl so eingestellt werden, dass die Schichtdicken genau dem gewünschten Wert entsprechen. Dadurch lassen sich wichtige Prozentpunkte in der Reflexion gewinnen. Durch die richtige Dosierung der reaktiven Gase können die Hersteller den Absorptionswert der Optiken verringern. Es ist wichtig, die Gasmenge genau zu steuern, um genau die richtige Menge an Oxiden und Nitriden zu erzeugen. Eine zu hohe Gasmenge würde den Sputterprozess verlangsamen.
LETZTENDLICH IST ES DIE ERFAHRUNG, DIE ZÄHLT.
Diese Beispiele zeigen deutlich, dass das IBS-Verfahren zusätzliche Lösungen bietet. Dennoch haben die konventionellen Beschichtungsmethoden nach wie vor ihren Platz in der Welt. Wie immer gilt es, in jedem Einzelfall alle Möglichkeiten abzuwägen.
Ein optisches System, das für alle Anforderungen optimale Werte bietet, gibt es nicht.
Ein Reflexionsgrad von mehr als 99,95 % muss beispielsweise mit Einbußen bei der Schadensschwelle erkauft werden. Wie bereits erwähnt, können hohe Reflektivitätswerte nur mit vielen dichten Schichten erreicht werden. Mit jeder zusätzlichen Schicht summieren sich jedoch die kleinen Unregelmäßigkeiten, was zu einer niedrigeren LIDT führen kann. Die Kräfte, die in den dicht gepackten IBS-Schichten wirken, führen auch dazu, dass sich das Substrat verbiegt. Darunter leidet auch die Ebenheit der Optik.
Kompensationsschichten können dies verhindern, beeinträchtigen aber auch die optischen Eigenschaften. Darüber hinaus gibt es auch Faktoren außerhalb der Physik zu berücksichtigen: Das alles muss bezahlbar sein.
Schlussfolgerung. Bei all diesen Überlegungen ist es letztlich die Erfahrung des Herstellers, die darüber entscheidet, welche Lösung dem Kunden angeboten wird. Das Produktionsteam arbeitet eng mit dem Entwicklungsteam und der Vertriebsabteilung zusammen. Die Produktingenieure setzen die Anforderungen des Kunden in Spezifikationen für die Produktion um. Es lohnt sich daher immer, möglichst viele Optionen mit einer umfangreichen Produktionsanlage abzudecken, die den Beschichtungsexperten die Möglichkeit bietet, die richtige Technologie auszuwählen.
Original veröffentlicht in LP.PRO Laser.Photonics.Professional
Ausgabe 5/2021 | KontaKt: Dr. Matthias Laasch Editor-in-Chief
redaktion@felchner-medien.de | www.lppro.felchner-medien.de
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