Beschichtungstechnologien

Zur industriellen Herstellung optischer Schichten haben sich seit etwa 1930 vier grundlegende Verfahren etabliert. Neben dem Sol-Gel-Verfahren (Schichtabscheidung durch Eintauchen) und der Atomlagenabscheidung (ALD) dominieren heute zwei Technologien den Markt:

1. Vakuumbasierte Bedampfung (thermische Verdampfung, Elektronenstrahlverdampfung)
2. Sputterverfahren (Magnetronsputtern, Ionenstrahlsputtern)

LAYERTEC bietet für jede Anwendung das technisch und wirtschaftlich optimale Verfahren an – in enger Abstimmung mit dem Kunden.

Thermisches Verdampfen und Elektronenstrahlverdampfung

Funktionsweise

Die thermische und die Elektronenstrahlverdampfung gehören zu den etablierten Standardverfahren für optische Beschichtungen. LAYERTEC nutzt diese Technologien insbesondere für UV-Anwendungen.

Die Schichtabscheidung erfolgt in Vakuumanlagen. Am Boden der Kammer befinden sich die Verdampferquellen mit dem jeweiligen Beschichtungsmaterial. Die Verdampfung erfolgt entweder durch Widerstandsheizung (thermische Verdampfung) oder mittels Elektronenstrahlverdampfung.

Die Wahl des Verfahrens richtet sich nach den thermophysikalischen Eigenschaften des Beschichtungsmaterials – insbesondere Schmelzpunkt, Sublimationsverhalten und chemischer Stabilität. Die Substrate sind auf rotierenden Halterungen über der Quelle positioniert, um eine gleichmäßige Schichtdicke zu erzielen. Die Substrattemperatur liegt dabei typischerweise zwischen 150 °C und 400 °C, abhängig von Substrat- und Beschichtungsmaterial. Dies gewährleistet eine geringe Absorption und eine hohe Adhäsion der Schicht.

Für dichte und umweltstabile Schichten wird die ionenunterstützte Abscheidung (IAD) eingesetzt. LAYERTEC verwendet dafür Ionenquellen wie APS pro® und LION® (Bühler Alzenau GmbH). Insgesamt stehen sieben Vakuumbeschichtungsanlagen zur Verfügung. Auch großflächige Substrate wie Zylinderlinsen bis 1,15 m Kantenlänge können beschichtet werden.

Eigenschaften von aufgedampften Beschichtungen

Die kinetische Energie der schichtbildenden Teilchen beim konventionellen Aufdampfen liegt im Bereich von etwa 1 eV. Um deren Mobilität auf der Substratoberfläche zu erhöhen, ist eine Temperierung der Substrate erforderlich. Standardaufdampfschichten weisen eine vergleichsweise geringe Packungsdichte auf und enthalten oft mikrokristalline Strukturen. Dies führt zu erhöhtem Streulicht – je nach Wellenlänge im Bereich von einigen Zehntelprozent bis wenigen Prozent.

Zudem können poröse Schichten Umwelteinflüssen unterliegen: Wasserdampf diffundiert in die Schicht ein und verursacht spektrale Drift der Reflexionsbanden (typisch ≈ 1,5 % der Nennwellenlänge). Dieser Effekt lässt sich durch dichte Schichten vermeiden, die mittels ionenunterstützter Abscheidung (IAD) realisiert werden.

IAD-Schichten zeigen hohe optische Stabilität, geringe Absorption und Laserzerstörschwellen auf hohem Niveau. Sie eignen sich daher für Anwendungen in Hochleistungslasersystemen und anspruchsvollen optischen Geräten.

Sputtern

Funktionsweise

Beim Sputtern werden schichtbildende Atome aus einem Festkörper (Target) durch den Beschuss mit energetischen Edelgasionen – meist Argon – freigesetzt. Die Ionen erzeugen eine Stoßkaskade im Targetmaterial, die zur Emission von Atomen aus der Oberfläche führt.

Die Effizienz des Sputterprozesses hängt von verschiedenen Parametern ab, darunter Bindungsenergie, Atommasse des Targets und Einfallswinkel der Ionen. Das Verfahren ist gut steuerbar und eignet sich besonders für dichte, gleichmäßige Schichten mit hoher Reproduzierbarkeit.

Eigenschaften gesputterter Schichten

Die durch Sputtern abgeschiedenen Schichten zeichnen sich durch eine hohe kinetische Energie der Teilchen (~10 eV) und eine entsprechend gesteigerte Oberflächenmobilität aus. Das Ergebnis sind amorphe, dichte Schichten mit hoher struktureller Homogenität.

Daraus ergeben sich hervorragende optische Eigenschaften:

• Geringe Streuverluste
• Hohe Langzeitstabilität der spektralen Eigenschaften unter wechselnden Umweltbedingungen (keine Feuchteaufnahme)
• Hohe Laserzerstörschwellen
• Mechanische Robustheit

LAYERTEC betreibt über 36 Sputteranlagen (Magnetron- und Ionenstrahlverfahren) und bietet für jede Anwendung die passende Abscheidungstechnologie. Derzeit sind Substratdurchmesser bis 60 cm (Magnetron) bzw. 30 cm (IBS) möglich.

Veröffentlichungen und Ergebnisse der SPIE Laser Damage Konferenz zeigen, dass jede Beschichtungstechnologie spezifische Vorteile bietet – abhängig von Anwendung und Anforderungsprofil.

Magnetronsputtern

Beim Magnetronsputtern wird eine Gasentladung gezielt vor dem Target erzeugt, um ionisierte Edelgasatome (meist Argon) zu erzeugen. Diese Ionen schlagen durch Impulsübertrag schichtbildende Atome aus dem Target heraus. Die Entladung kann mit Gleichspannung (DC) betrieben werden, z. B. für metallische Targets wie Titan, oder mit Hochfrequenz (RF) für dielektrische Materialien wie Titandioxid.

Reaktive Gase wie Sauerstoff ermöglichen die Abscheidung von Oxiden direkt aus metallischen Targets (reaktives Sputtern).

LAYERTEC hat das Magnetronsputtern zur Serienreife entwickelt. Das Verfahren bietet besonders im VIS- und NIR-Bereich exzellente Schichteigenschaften. Die größten Anlagen ermöglichen die Beschichtung von Substraten bis 600 mm Durchmesser.

Ionenstrahlsputtern

Beim Ionenstrahlsputtern (IBS) werden die Ionen in einer separaten Ionenquelle erzeugt und gezielt auf das Target gelenkt. Dieses Verfahren erlaubt eine präzise Steuerung der Prozessparameter und minimiert Kontaminationen durch eine saubere Trennung der Prozesszonen.

In modernen Anlagen wird reaktives Gas – meist Sauerstoff – über eine zweite Ionenquelle eingebracht. Dies erhöht die Reaktivität und führt zu besonders dichten, homogenen Schichten.

Im Gegensatz zum Magnetronsputtern sind beim IBS-Verfahren die drei Hauptkomponenten – Ionenquelle, Target und Substrat – physikalisch separiert. Dadurch lassen sich optisch hochwertige Schichten mit hoher Glätte und Reproduzierbarkeit realisieren.