Vorteile des Ionenstrahl-Sputterns (IBS) 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 Laserzerstörschwellen (LIDT) - 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.. 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 bei 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 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).
Durch das Sputtern erhalten die Moleküle des Beschichtungsmaterials eine erheblich höhere kinetische Energie als bei den Verdampfungsverfahren. Das führt zu einer besseren Adhäsion auf dem Substrat, und es entstehen besonders dichte und homogene Schichten.
In der Produktion kommt ein weiterer Vorteil des IBS-Verfahrens zum Tragen: Alle wesentlichen Prozessparameter, wie Streugeometrie (Streuwinkel), Ionenenergie, Einfallswinkel und das Verhältnis der Ionen zur Masse, lassen sich unabhängig steuern.
So kann man Stöchiometrie und Dicke der dielektrischen Schichten präzise den Bedürfnissen jeder einzelnen Anwendung anpassen. Welche Auswirkungen das im Detail hat, zeigen die nachfolgenden Beispiele.
Lösungen für die Lasermaterialbearbeitung
Verhindern von Reflexionsspitzen mit "Störschichten"
Hintergrund: In der Lasermaterialbearbeitung haben sich die Anforderungen an die Optik geändert. Beim Schweißen, Schneiden und Bohren werden heute vor allem leistungsstarke Faserlaser eingesetzt; so dass keine weiteren Optiken zur Strahlführung benötigt werden.
Spezielle Optiken finden sich jedoch in den Systemen zur Überwachung der Arbeitsprozesse. Kameras im sichtbaren oder nahen IR-Bereich werden eingesetzt, um Fehler wie Schweißspritzer 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.
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: Reflexionspeaks können vermieden werden, indem zusätzliche Interferenzschichten(„Störschichten“) 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.
Stark reflektierende SPIEGEL mit besonders dicken Schichten
Das Ionenstrahl-Sputtern bietet auch dann große 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.
Herausforderung: 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 fehleranfällig.
Lösung: Beim IBS-Verfahren kann das Target eine beliebige Dicke haben und die Beschichtung über eine lange Zeit hinweg durchgeführt werden.
Stabile Beschichtungen bei hohen Laserleistungen
Herausforderung: Bei der Lasermaterialbearbeitung müssen Optiken cw-Laserleistungen 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 Reflexionsgrade von mehr als 99,9 % erforderlich, um die Detektoren der Beobachtungssystemen zu schützen.
Lösung: Das IBS-Verfahren bietet mehrere Vorteile:
Zum Beispiel ermöglicht die große Schichtdicke 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.
Erfahrung des Partners nutzen
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 Zerstörschwelle 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 krümmt. Darunter leidet also auch die Ebenheit der Optik.
Kompensationsschichten können diese Effekte verhindern, beeinträchtigen aber die optischen Eigenschaften. Darüber hinaus gibt es auch Faktoren außerhalb der Physik zu berücksichtigen: Das alles muss bezahlbar sein.
Schlussfolgerung. Bei all diesen Abwägungen entscheidet am Ende die Erfahrung des Herstellers darüber, welche Lösung dem Kunden angeboten wird. Das Produktionsteam arbeitet dabei eng mit dem Entwicklungsteam und der Vertriebsabteilung zusammen. Die Produktingenieure übersetzen die Anforderungen des Kunden in Spezifikationen für die Produktion. Es lohnt sich daher immer, mit einem umfangreichen Anlagenpark möglichst viele Optionen abzudecken, so dass die Beschichtungsexperten die jeweils passende Technologie auswählen können.
Produktübersicht
Laseroptiken
Brewster-Platten werden verwendet, um s- und p-polarisiertes Licht zu trennen.
Phasenschieberspiegel auf Silizium- oder Kupfersubstraten zur Erzeugung von zirkularer Polarisation
Dünnschicht- und breitbandige Platten-Polarisatoren zur Polarisationstrennung.
Verzögerungsplatten erzeugen eine Phasenverschiebung des transmittierenden Lichts. Viele Varianten sind erhätlich.
LASER COMPONENTS Germany – Ihr kompetenter Partner für optische und optoelektronische Komponenten in Deutschland.
Willkommen bei der LASER COMPONENTS Germany GmbH, Ihrem Experten für Komponenten in der Photonik. Unser breites
Produktsortiment an Detektoren, Laserdioden, Lasermodulen, Optik, Faseroptik und mehr ist jeden Euro (€/EUR)
wert. Mit maßgeschneiderten Lösungen decken wir alle denkbaren Anwendungsbereiche ab: von der Sensortechnik bis
zur Medizintechnik.
Sie erreichen uns hier:
Werner-von-Siemens-Str. 15
82140 Olching
Deutschland
Tel.: +49 8142 2864-0
E-Mail: info(at)