Beschichtungstechnologien

Es gibt aktuell vier grundlegende Verfahren, die ab ca. 1930 entwickelt worden. Neben der Schichtabscheidung durch Eintauchen (Sol-Gel-Verfahren) und der Schichtabscheidung aus der Gasphase (Atomlagenabscheidung) dominieren derzeit zwei Technologien die industrielle Herstellung:

1. Aufdampfen der schichtbildenden Materialien im Vakuum (thermische und Elektronenstrahl-Verdampfung)
2. Schichtabscheidung durch Sputtern (Magnetron, IBS)

LAYERTEC ist bestrebt, im direkten Kundenkontakt das effektivste und kostengünstigste Beschichtungsverfahren für die jeweilige Anwendung anzubieten.

Thermisches Verdampfen und Elektronenstrahlverdampfung

Funktionsweise

Thermisches Verdampfen und Elektronenstrahlverdampfung sind die gebräuchlichsten Technologien für die Herstellung optischer Schichten. LAYERTEC verwendet diese hauptsächlich für UV-Beschichtungen. Die Bedampfungsquellen sind am Boden der Verdampfungskammer angebracht. Sie enthalten das Beschichtungsmaterial, das durch Widerstandserhitzen (thermische Verdampfung) oder durch eine Elektronenkanone (Elektronenstrahlverdampfung) erhitzt wird.

Die Art der Erwärmung hängt von den Materialeigenschaften (z. B. dem Schmelzpunkt) und den optischen Spezifikationen ab. Die Substrate werden auf einem rotierenden Substrathalter am oberen Ende der Verdampfungskammer befestigt. Eine Drehung der Substrate ist notwendig, um die Homogenität der Beschichtung zu gewährleisten. Die Substrate müssen auf eine Temperatur von 150 bis 400 °C erhitzt werden, je nach Substrat und Beschichtungsmaterial. Dies sorgt für geringe Absorptionsverluste und eine gute Haftung der Beschichtung auf den Substraten.

Um kompaktere Schichten zu erhalten, werden Ionenquellen eingesetzt. LAYERTEC ist mit mehreren Bedampfungsanlagen ausgestattet, die die gesamte Bandbreite der oben genannten Technologien abdecken, von der einfachen thermischen Verdampfung bis zur ionenunterstützten Abscheidung (IAD) mit den Ionenquellen APS pro^® und LION^®.

APS pro^® und LION^® sind Warenzeichen der Bühler Alzenau GmbH.

Eigenschaften von aufgedampften Beschichtungen

Die Energie der filmbildenden Teilchen ist sehr gering (≈ 1 eV). Deshalb muss die Mobilität der Teilchen durch Erhitzen der Substrate erhöht werden. Die Packungsdichte von standardmäßig aufgedampften Schichten ist relativ gering, und die Schichten enthalten oft Mikrokristallite. Dies führt zu relativ hohen Streuverlusten (je nach Wellenlänge einige Zehntelprozent bis einige Prozent). Außerdem kann atmosphärischer Wasserdampf je nach Temperatur und Luftfeuchtigkeit in die Beschichtung hinein- und herausdiffundieren, was zu einer Verschiebung der Reflexionsbanden um ≈ 1,5 % der Wellenlänge führt. Verschiebungsfreie, d. h. dichte Aufdampfschichten lassen sich mit IAD unter Verwendung der Ionenquellen APS pro^® und LION^® herstellen, die sehr hohe Ionenstromdichten liefern. Aufgedampfte Schichten haben jedoch auch hohe Laserzerstörschwellen und eine geringe Absorption. Sie werden häufig in Lasern und anderen optischen Geräten eingesetzt.

Sputtern

Funktionsweise

Im Allgemeinen bezieht sich der Begriff „Sputtern“ auf die Extraktion von Teilchen (Atomen, Ionen oder Molekülen) aus einem Festkörper durch den Beschuss mit Edelgasatomen bzw. -ionen. Durch eine Stoßkaskade im Targetmaterial können letztlich die schichtbildenden Atome gewonnen werden. Die Ausbeute ist u.a. abhängig von Bindungsenergien, Atommassen und dem Auftreffwinkel der Stoßatome.

Eigenschaften gesputterter Schichten

• Aufgrund der hohen kinetischen Energie (≈ 10 eV), d.h. der hohen Mobilität der filmbildenden Teilchen, weisen gesputterte Schichten folgende Eigenschaften auf:
  • ein amorphes Gefüge
  • eine hohe Packungsdichte (die derjenigen von Festkörpermaterial nahe kommt)

• Diese strukturellen Merkmale führen zu sehr vorteilhaften optischen Eigenschaften wie:
  • Geringe Verluste durch Streulicht
  • Hohe Stabilität der optischen Parameter unter verschiedenen Umgebungsbedingungen aufgrund der Sperrung der Wasserdiffusion
  • Hohe laserinduzierte Zerstörschwellen
  • Hohe mechanische Stabilität

LAYERTEC betreibt derzeit über 40 Magnetronsputter- und IBS-Anlagen, sodass für jede Kundenanwendung die optimale Abscheidungstechnologie gewählt werden kann. Der maximale Substratdurchmesser beim IBS-Sputtern beträgt derzeit 30 cm, beim Magnetronsputtern 60 cm. Die Wettbewerbe der SPIE Laser Damage Konferenz der letzten Jahre zeigen, dass jede Beschichtungstechnologie für bestimmte Anwendungen Vorteile bietet. Passend zu Ihren Spezifikationen wählen die Beschichtungstechnologen von LAYERTEC das entsprechende Verfahren aus.

Magnetronsputtern

Die Ionen werden durch eine Gasentladung abgegeben, die vor dem Target brennt. Sie kann entweder durch eine Gleichspannung (DC-Sputtern) oder durch eine Wechselspannung (RF-Sputtern) angeregt werden. Beim DC-Sputtern ist das Target eine Scheibe aus einem hochreinen Metall (z. B. Titan). Die Zugabe eines reaktiven Gases zur Gasentladung (z. B. Sauerstoff) führt zur Bildung der entsprechenden Verbindungen (z. B. Oxide). Für das RF-Sputtern können auch dielektrische Verbindungen (z. B. Titandioxid) als Targets verwendet werden.

Die Entwicklungen bei LAYERTEC haben das Magnetronsputtern von einer Labortechnik zu einem sehr effizienten industriellen Verfahren gemacht, das insbesondere im VIS- und NIR-Spektralbereich Beschichtungen mit hervorragenden Eigenschaften liefert. Die größte Magnetronsputteranlage kann Substrate bis zu einem Durchmesser von 600 mm beschichten.

Ionenstrahlsputtern

Bei dieser Technik wird eine separate Ionenquelle zur Erzeugung der Ionen verwendet. Um Kontaminationen zu vermeiden, werden in modernen IBS-Geräten HF-Generatoren verwendet. Das reaktive Gas (Sauerstoff) wird in den meisten Fällen von einer zweiten Ionenquelle bereitgestellt. Dies führt zu einer besseren Reaktivität der Teilchen und zu kompakteren Schichten.

Der Hauptunterschied zwischen Magnetronsputtern und Ionenstrahlsputtern besteht darin, dass Ionenerzeugung, Target und Substrate beim IBS-Verfahren vollständig voneinander getrennt sind, während sie beim Magnetronsputtern sehr nahe beieinander liegen.