Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST
Dielektrischer Strahlteiler aus ca. 100 Einzelschichten mit einer Reflexion im Bereich von 750 – 850 nm und einer Transparenz im Bereich von 450 – 745 nm.
Präzision im Nanometerbereich
Herausforderungen der modernen Optik
In der Präzisionsoptik kann der Bruchteil eines Nanometers über Funktion oder Fehler entscheiden. Doch steigende Anforderungen und komplexe Multilagensysteme bringen klassische Beschichtungsverfahren an ihre Grenzen – und machen neue Technologien unverzichtbar.
Präzision auf der Nanometerskala ist in der Präzisionsoptik entscheidend. Schon geringfügige Abweichungen in der Schichtdicke können die spektralen Eigenschaften optischer Filter deutlich beeinflussen: Kanten verschieben sich, Phasen- und Polarisationseigenschaften verändern sich. Bei komplexen Multilagensystemen mit hunderten bis tausenden Schichten addieren sich solche Abweichungen und führen zu spektralen Drifts und Wellenfrontfehlern.
Steigende Anforderungen an Materialien und Prozesse
Mit den Anforderungen moderner Anwendungen steigen auch die technischen Herausforderungen. Gefordert sind höchste Homogenität über Wafer und Batches hinweg, ein kontrolliertes Schichtspannungsmanagement zur Vermeidung von sogenannten »Bow«-Verformungen dünner Substrate sowie partikelarme Prozesse zur Sicherung von Ausbeute und Laserfestigkeit. Gleichzeitig müssen Produktionsprozesse hohe Beschichtungsraten und lange stabile Kampagnen ermöglichen.
Neue Gerätegenerationen verschärfen diese Anforderungen zusätzlich: Dünnglas oder Siliziumwafer mit Dicken von 100 bis 250 µm, Filter-on-Chip oder komplexe Multilagensysteme mit Gesamtdicken von bis zu 100 µm verlangen präzise definierte Gradientenprofile und Toleranzen im Promillebereich.
Grenzen klassischer Verfahren
Viele konventionelle Beschichtungsverfahren stoßen hier an ihre Grenzen. Planarkathoden verändern während des Betriebs ihre Geometrie durch Erosion, was zu Drifts in Beschichtungsrate und Verteilung führen kann. Teilreaktives Sputtern ist anfällig für Schwankungen durch Reaktivgase, während manuelles Wenden von Substraten besonders bei dünnen Wafern zusätzliche Risiken birgt. Andere Verfahren wie die Atomlagenabscheidung (engl. Atomic Layer Deposition, ALD) sind für dicke Multilagensysteme häufig zu langsam. Gefragt sind daher neue Anlagenkonzepte und Prozessführungen: geometrisch stabile Quellen, reaktivgasfreie Kathodenprozesse mit separater Nachreaktion, simultane doppelseitige Beschichtung sowie modell- und datenbasierte In-situ-Kontrolle. Sie ermöglichen reproduzierbare Hochpräzision im Industriemaßstab – auch bei steigenden Produktionvolumina.
Anwendung von Dünnschichttechnologien: Beschichtete asphärische plan/konvexe Linsen
»Die Herausforderung liegt nicht nur in der Präzision einzelner Schichten, sondern in der reproduzierbaren Herstellung komplexer Multilagensysteme über lange Produktionszyklen hinweg. Dafür brauchen wir Anlagenkonzepte, die Stabilität, Prozesskontrolle und Produktivität zusammenbringen.«
Dr. Philipp Farr, Gruppenleiter Präzisionsoptische Systeme