Schichtdickenmessung im Herstellungsprozess

Derartig dünne Schichten kann man natürlich nicht mit einem Messschieber messen. Die Qualität von Laser­optiken beurteilen zu können erfordert Fachkenntnisse, die nur in einem Hochschulstudium vermittelt werden. Dabei überprüfen unsere Experten nicht nur die Schichtdicken, sondern auch andere wichtige Kriterien wie Transmissionsverhalten, Schichthomogenität oder Laserzerstörschwelle. Das beginnt bereits während des Beschichtungsprozesses: Beim optischen Breitband-­Monitoring (BBM) wird das Transmissions­verhalten eines sogenannten BBM-Testglases direkt in der Hochvakuum-Beschichtungskammer kontinuierlich überwacht. Ein hochauflösendes Spektrometer erfasst dabei einen breiten Wellenlängenbereich, der bis ins nahe IR reicht.

Aus den Messergebnissen lässt sich ableiten, ob die erzeugten Schichtdicken dem vorgegebenen Design entsprechen. Die Messungen werden reproduzierbar mit einer Genauigkeit von ±0,4 % durchgeführt. Auf diese Weise können in einer Sekunde Schichtzuwächse von weniger als 0,1 nm gemessen werden. Mit der richtigen Kenntnis der Materialkonstanten lassen sich die Messergebnisse auch auf Wellenlängen außerhalb des in-situ gemessenen Spektrums extrapolieren. Abweichungen vom gewünschten optischen Verhalten können so während des Herstellungsprozesses kompensiert werden.

Passt die Wellenlänge? – Prüfung der spektralen Charakteristik

Die Kundenspezifikationen betreffen natürlich nicht nur die Schichtdicke. Auch das spektrale Verhalten der fertig beschichteten Optik wird geprüft. Bei Standardoptiken mit Durchmessern bis zu 120 mm verwenden wir dazu ein Spektro­meter, das einen Wellenlängenbereich von Deep-UV bis ins mittlere IR abdeckt.

Transmission und Reflexion einer Optik werden unter verschiedenen Einfallswinkeln und Polarisationen am selben Messpunkt bestimmt. So können wir aus den Messergebnissen auch Rückschlüsse auf Absorption und Streuung ziehen. Falls nicht direkt am Teil gemessen werden kann, greifen wir auf ein Messsubstrat zurück, das mit jeder Charge angefertigt und bei uns aufgehoben wird.

Und am Rand? - Homogenitätsmessung

Damit eine Optik den Laserstrahl unabhängig vom Auftreffpunkt gleich beeinflusst, muss die dielektrische Beschichtung gleichmäßig über die gesamte Oberfläche verteilt sein. Zur Messung werden ebenfalls Spektro­meter verwendet – meist als geschlossene Komplettsysteme. Daraus ergeben sich Probleme bei der Beurteilung von großen Substraten, wie sie zum Beispiel für die Terawatt-Laser in Forschungszentren benötigt werden. Mit Durchmessern bis zu 380 mm sind sie schlichtweg zu groß, zu dick und zu schwer für handels­übliche Spektrometer. Gerade bei diesen Produkten sind die Anforderungen an die Schichthomogenität aber besonders hoch. Zur Kontrolle wird daher ein Spektro­meter eingesetzt, bei dem ein beweglicher Messkopf verschiedene Positionen auf der Optik vermessen kann.

Kleinste Defekte erkennen

Neben der Dicke und Homogenität ist auch die Sauberkeit der Schichten ein entscheidendes Qualitätsmerkmal. Zu den häufigsten Fehlern zählen Kratzer, Löcher oder Wischer. Bei reflektiertem Streulicht oder in Transmission können erfahrene Fein­optiker Schädigungen bis zu einer Größe von 10 µm erkennen. Diese visuelle Prüfung ist bis heute eines der schnellsten und zuverlässigsten Verfahren. Dennoch bleibt sie weiterhin vom persönlichen Urteil des Prüfers abhängig. Seit Kurzem gibt es Maschinen, die auch bei diesen Optiken objektive Messungen durchführen können und die Qualität auf Wunsch durch entsprechende Pass-/Fail-Prüf­berichte dokumentieren können. Spezielle Dome-Beleuchtungen sorgen dafür, dass das Testobjekt gleichmäßig ausgeleuchtet ist und die extrem hochauflösenden Kameras auch Beschädigungen mit einer Größe von 5 µm – in manchen Fällen sogar bis zu 1 µm – wahrnehmen können.

Unzerstörbar?

Je höher die Energie des Lasers, umso wichtiger wird das Thema Laserzerstörschwelle (Laser Induced Damage Threshold - LIDT). Wer wie LASER COMPONENTS Optiken für Industrie- und Hochenergielaser herstellt, setzt sich zwangsläufig damit auseinander. Um die Zerstörschwelle zu bestimmen, wird die Optik mit einem gepulsten Laser „beschossen“: zehn Positionen werden jeweils 200 mal einem Puls mit einer definierten, gleichbleibenden Pulsenergie ausgesetzt. Dabei kann die Beschichtung an einigen Testpunkten zerstört werden; an anderen bleibt sie intakt. Aus dem Verhältnis von beschädigten und unbeschädigten Positionen wird die Zerstörwahrscheinlichkeit für die eingestellte Energiedichte (J/cm²) errechnet. Anschließend wird die Prozedur mit einer höheren Energiedichte wiederholt. Am Ende des Messvorgangs erhält man eine Kurve, aus der sich die Zerstörschwelle der ­gesamten Optik ablesen lässt. Für ­produktionsbegleitende Unter­suchungen und zur Sicherstellung der Qualität verfügt LASER COMPONENTS über einen eigenen Zerstörschwellenmess­platz für die Wellenlängen 532 nm und 1064 nm. Getestet wird typischerweise mit einer Pulslänge von etwa 10 ns und Einfallwinkeln zwischen 8° und 57°.

Alles gut dokumentiert

BBM, Spektroskopie, Begutachtung der Oberflächenbeschaffenheit und Zerstörschwellenmessung sind nur vier Beispiele aus dem Arsenal an Möglichkeiten, die wir einsetzen können, um die Qualität unserer Optiken sicherzustellen. Prüfung und Nachweisführung erfolgen nach dokumentierten Verfahren gemäß ISO 9001. Auf Wunsch liegen die Messprotokolle der spektrometrischen Untersuchungen der Lieferung bei. So sorgen wir nicht nur dafür, dass die Laser unserer Kunden genau nach Spezifikationen funktionieren. Wir ersparen ihnen auch den Aufwand einer umfangreichen Eingangs- und Qualitätskontrolle.

Messen für die Innovation
Moderne Messtechniken helfen uns nicht nur bei der Qualitätssicherung. Wir nutzen sie auch, um die Möglichkeiten unserer Technologien auszuweiten und neue Lösungen zu finden. Da wir unsere Optiken nach den Spezifikationen unserer Kunden fertigen, kommt es immer wieder vor, dass Anforderungen an uns herangetragen werden, die gemeinsame Entwicklungsprojekte zur Folge haben. Bei UV-Strahlung unter 350 nm kommen zum Beispiel viele Oxide wegen ihrer hohen Absorption nicht als Schichtmaterialien in Frage. In diesem Fall müssen neue Schichtdesigns entwickelt werden. Das geht allerdings nur, weil wir Spektrometer einsetzen, die einen Wellenlängenbereich vom UV-C bis ins mittlere IR abdecken. Auch für unsere eigenen Innovationen nutzen wir die moderne Messtechnik – zum Beispiel, wenn es darum geht, die Produktionsprozesse unserer Optikfertigung zu optimieren.

Weitere Produktinformationen:
Beschichtete Laseroptik

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