Simulation optischer Präzisionsschichten auf gekrümmten Bauteilen

Ein digitaler Zwilling, basierend auf Daten aus einer am Fraunhofer IST durchgeführten vorherigen Multiskalen-Prozesssimulation, ermöglicht die iterative Optimierung von Blenden, um Beschichtungsprobleme bei der Herstellung optischer Komponenten zu lösen.

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Antireflexbeschichtung mit Diamant

Neue Produkte und steigende Anforderungen erhöhen den Bedarf für immer gebrauchsfähigere AR-Schichten mit erhöhter Kratz- und Abriebbeständigkeit. Die wesentliche Innovation der Arbeiten des Fraunhofer IST bestand darin, die unübertroffen hohe Härte von Diamant erstmalig für die Verwendung in optischen Schichtsystemen verfügbar zu machen.

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Komplexe Bandpass­filter auf asphärischen Linsen

Am Fraunhofer IST wurde ein Beschichtungsprozess entwickelt, der es ermöglicht, Linsen mit einem Bandpassfilter bei einer Wellenlänge von 670 nm auszurüsten, der eine sehr breite Blockung von 300 bis 1100 nm aufweist. Die Zentralwellenlänge ist dabei unabhängig von der Position auf der Linse. Erreicht wurde dies durch einen speziellen Schichtgradienten auf der Linse.

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Defektfreie Siliziumoxid-Schichten

Das Ur-Kilogramm, auf das alle Waagen kalibriert sind, verliert an Gewicht. Am Fraunhofer IST werden Beschichtungsprozesse zur homogenen und uniformen Siliziumoxid-Beschichtung der Kugeloberfläche durchgeführt, um die Messunsicherheit zu verringern.

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Optische Strahlteiler

Mit der Beschichtungsplattform EOSS® (Enhanced Optical Sputtering System) wurden am Fraunhofer IST ausgezeichnete Möglichkeiten für die Abscheidung hochanspruchsvoller optischer Beschichtungen geschaffen.

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Simulation der Staubteilchen­bewegung im Plasma

Für optische Anwendungen ist es notwendig, möglichst reine Oberflächen zu erzeugen. Mittels einer am Fraunhofer IST entwickelten Teilchensimulation ist es nun möglich, die Verunreinigung von Staub in Plasma-Beschichtungsanlagen vorherzusagen.

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Simulation optischer Präzisionsschichten auf gekrümmten Bauteilen

Bei der Herstellung optischer Komponenten ist es von Vorteil, die benötigten optischen Filtersysteme direkt auf gekrümmte Flächen von z. B. Linsen aufzubringen, statt separate Flachsubstrate zu verwenden. Dies minimiert die Anzahl von Komponenten und interner Reflexionen. Allerdings führt der variable Lichteinfallswinkel auf gekrümmten Flächen zu spektralen Verschiebungen. Um dies zu kompensieren, müssen die optischen Filter mit einem definierten Schichtdickenprofil aufgebracht werden. Im Falle einer konvexen Linse bedeutet dies z. B., dass die Schichtdicke von der Mitte zum Rand hin ansteigen muss. Demgegenüber stellt sich in PVD-Verfahren wie Magnetronsputtern üblicherweise ein umgekehrtes Schichtdickenprofil auf konvexen Flächen ein. Ein digitaler Zwilling, basierend auf Daten aus einer am Fraunhofer IST durchgeführten vorherigen Multiskalen-Prozesssimulation, ermöglicht die iterative Optimierung von Blenden, um dieses Beschichtungsproblem zu lösen.

1. Simulation der Plasmaentladung beim Magnetronsputtern.
© Fraunhofer IST
1. Simulation der Plasmaentladung beim Magnetronsputtern.
2. Simulation des Targeterosionsprofils beim Magnetronsputtern.
© Fraunhofer IST
2. Simulation des Targeterosionsprofils beim Magnetronsputtern.
3. Simulation des Teilchentransports beim Magnetronsputtern.
© Fraunhofer IST
3. Simulation des Teilchentransports beim Magnetronsputtern.

Der Lösungsansatz

Der Beschichtungsprozess wurde auf der EOSS®-Sputteranlage am Fraunhofer IST realisiert. Diese Anlage besteht aus zwei Sputter-Kompartments mit zylindrischen Doppelrohr-Kathoden, die in Argon gesputtert werden. Die Substrate sind an einem darüber angebrachten, schnell rotierenden Drehteller befestigt. In einer zusätzlichen RF-Plasmaquelle erfolgt die vollständige Oxidation der Teilschichten in einem Sauerstoffplasma. Für rotationssymmetrische 3D-Substrate kommt ein spezieller Probenhalter mit eingebauter Sub-Rotation zum Einsatz, wobei das Schichtdickenprofil durch spezielle Blenden an den Kompartmenträndern eingestellt wird.

Bei der Spezifizierung der Blendenform kommt das Multi­skalen-Simulationsmodell ins Spiel. Das Plasma sowie der Gasfluss und Transport der gesputterten Teilchen können mit einer am Fraunhofer IST entwickelten kinetischen Software simuliert werden, in der die »Direct Simulation Monte-Carlo« (DSMC)- und »Particle-in-Cell Monte-Carlo« (PIC-MC) -Methoden kombiniert werden. Zwei praktische Probleme dabei sind der Rechenaufwand – ca. ein Tag für DSMC bzw. mehrere Tage für PIC-MC – sowie die Tatsache, dass sich das Schichtdickenprofil auf bewegten Substraten aus der Addition vieler Teilprofile aus unterschiedlichen Positionen ergibt. Mit den bisherigen Methoden ist dieses Verfahren daher viel zu zeitaufwändig.

Mit einem Multiskalen-Ansatz werden diese Probleme wie folgt gelöst: Zunächst werden mit dem PIC-MC-Verfahren das Plasma sowie das Sputtererosions-Profil am Target bestimmt (vgl. Abb. 1, 2). Anschließend erfolgt mithilfe dieser Information die Simulation des Transports und der Streuung gesputterter Teilchen (vgl. Abb. 3). Dabei wird in einer Ebene wenige Millimeter unterhalb der Substrate mit einer Ortsauflösung von 10 x 10 mm2 der winkelaufgelöste Teilchenfluss aufgezeichnet. Mit dieser Ebene als »virtuelle Teilchenquelle« wird anschließend der verbleibende Teilchentransport bis zum Substrat mittels eines einfachen Ray-Tracing-Ansatzes berechnet. Hierbei kann gleichzeitig auch die Blende in parametrisierter Form mitberücksichtigt werden. Dieser Ansatz ist möglich, da die verbleibende Strecke unterhalb der mittleren freien Weglänge liegt und daher die Streuung mit dem Gas vernachlässigt werden kann. Der Ray-Tracing-Algorithmus ermöglicht die Berechnung einer vollständigen Bewegungstrajektorie in wenigen Sekunden auf einer einzelnen CPU und kann somit als »Digitaler Zwilling« für den Beschichtungsprozess auf 3D-Substraten angesehen werden.

4. Blende mit Linsen-Trajektorie, darunter gemessenes und gerechnetes Schichtdickenprofil auf Flachsubstrat.
© Fraunhofer IST
4. Blende mit Linsen-Trajektorie, darunter gemessenes und gerechnetes Schichtdickenprofil auf Flachsubstrat.
5. Realisierte Beschichtung auf Linse und gemessene Spektren eines Bandpassfilters.
© Fraunhofer IST
5. Realisierte Beschichtung auf Linse und gemessene Spektren eines Bandpassfilters.

Validierung des Simulationsmodells

Es wurde ein Bandpassfilter auf eine plano-konvexe sphärische Linse mit 20 mm Durchmesser und 25 mm Krümmungsradius abgeschieden. Um die spektrale Verschiebung zu kompensieren, ist ein Schichtdickenanstieg um 3,5 % von der Mitte bis zum Rand erforderlich. Die durch iterative Optimierung erhaltene Blendengeometrie hat eine charakteristische Zackenform, deren Mittelpunkt mit der Linsentrajektorie zusammenfällt (vgl. Abb. 4, oben). Zum Testen des Modells wurde zunächst das Schichtdickenprofil auf nicht-rotierenden Flachsubstraten gemessen (vgl. Abb. 4, unten). Hierbei zeigte sich, dass die Annahme eines homogenen Target-Erosionsprofils unzureichend ist (Kurve #1), eine gute Übereinstimmung kann nur mit dem Sputterprofil aus der Plasmasimulation erzielt werden (Kurve #2). Mit einer entsprechend angepassten Blende und einem rotierenden Substrathalter wurde die Bandpassbeschichtung realisiert. Wie in Abb. 5 zu sehen, konnte die spektrale Verschiebung des Filters über die Linsenfläche mithilfe der numerisch optimierten Blende weitgehend eliminiert werden.

Ausblick

Der digitale Zwilling des Beschichtungsprozesses auf der EOSS®-Sputteranlage wurde erfolgreich validiert und kommt in Zukunft für weitere Prozess- und Substratgeometrien zur Anwendung.

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