www.laser-photonik.de MÄRZ 1 2010 LASER+PHOTONIK 1-2010 LASER+ PHOTONIK SPEZIAL 18 MIIPS: Bessere Laserpulse für die Mikroskopie 24 Oberflächen messen mit Multisensoren 38 MEMS: Laser stimmen Frequenzen ein 42 Schonend: Laserchemische Mikrobearbeitung Organ von Spectaris, Deutscher Industrieverband für optische, medizinische und mechatronische Technologien
LASERTECHNIK Beschichtungstechnik für Spiegel Optische Dünnschichtfilter für die Lasertechnik OPTIMIERTE BESCHICHTUNGSPROZESSE ALS SCHLÜSSEL ZUM ERFOLG Die Qualität von beschichteten optischen Bauelementen bestimmt wesentlich die Leistungsfähigkeit eines Lasers. Neben den üblichen optischen Parametern spielen auch Zerstörschwelle, innere Spannungen und Umweltstabilität eine große Rolle. Zunehmend werden Beschichtungen auf temperatur- und feuchtigkeitsempfindlichen Kristallen, auf organischen Substraten und Lasergläsern gefordert, wobei zusätzlich die Haftfestigkeit problematisch ist. WOLFGANG EBERT TOBIAS GROß Das in der Feinoptik am häufigsten anzutreffende Beschichtungsverfahren ist das Elektronenstrahl-Verdampfen (electron beam deposition). In einer Vakuumkammer wird das Schichtmaterial durch Beschuss mit einem Elektronenstrahl verdampft und schlägt sich in einer dünnen Schicht auf den 1 Eine der ersten elektronenmikroskopischen Aufnahmen einer Bruchkante aus TiO 2 und SiO 2 von K.- H. Günther, aus den frühen 80er-Jahren. Deutlich kann man darauf die poröse Struktur der Säulen erkennen. Die Versäulung des Titandioxids überträgt sich sogar auf das an sich glatte Siliziumdioxid Substraten nieder. Zu dieser konventionellen Methode kamen im Bereich Optikbeschichtung weitere, spezialisierte Verfahren hinzu. Ionengestütztes Aufdampfen (ion assisted deposition, IAD), gepulstes Magnetronsputtern, Ionenplattieren (ion plating, IP) und schließlich Ionenstrahlsputtern (ion beam sputtering, IBS) bieten heute eine breite Palette von effizienten Prozessen, die eine wirtschaftliche Herstellung qualitativ hochwertiger Schichtsysteme für verschiedenste Anforderungen ermöglichen. Während höchste Zerstörschwellen für Laserspiegel weiterhin mit dem klassischen Elektronenstrahl-Verdampfen erreicht werden, können höchste Reflexionen bei geringsten Verlusten sicher durch das aufwendige Ionenstrahlsputtern erzeugt werden. Für hohe thermische Stabilität und Stressfreiheit eignen sich die ionengestützten Aufdampfverfahren, und für weltraumtaugliche Laserspiegel haben sich mikrowellengehärtete Magnetron-Sputterschichten bewährt. Trotz seiner Vielseitigkeit und Wirtschaftlichkeit sind dem eingangs beschriebenen Elektronenstrahl-Verdampfen Grenzen gesetzt, was die Daseinsberechtigung der genannten Alternativverfahren unterstreicht. Eine größere Schwankungsbreite der Prozessparameter sowie die Kontamination der aufwachsenden Schichten durch Partikel ( Spritzer ) aus der Verdampfungsquelle limitieren die erreichbare Genauigkeit beziehungsweise die Sauberkeit der Schichten. 30 Laser+Photonik 1 2010
LASERTECHNIK KONTAKT LASEROPTIK GmbH 30826 Garbsen, Deutschland Tel. +49 (0)5131 4597-0 Fax +49 (0)5131 4597-20 www.laseroptik.de Eine weitere Einschränkung folgt aus der vergleichsweise geringen kinetischen Energie der Adatome (<1 ev). Die Schichten haben typischerweise eine reduzierte Packungsdichte, weisen Poren und teilweise Säulenwachstum auf (Bild 1). Die Poren zwischen den Säulen, die bis zu 30 Prozent des Volumens ausmachen können, füllen sich beim Belüften mit Wasser, das durch Evakuieren oder Aufheizen zum Beispiel unter Laserleistung teilweise wieder ausgetrieben wird. Die spektralen Charakteristika verschieben sich durch die Desorption des Wassers zu kürzeren Wellenlängen. So wandert zum Beispiel das Transmissionsprofil eines typischen Spiegels bei Erwärmung von 20 C auf 120 C um etwa 1 bis 2 Prozent auf der Wellenlängenskala (Bild 2). Für einige anspruchsvolle Anwendungen ist das konventionelle Aufdampfen daher ungeeignet. Höherenergetische Verfahren reduzieren diesen Effekt auf ein Minimum, beim IBS ist er kaum mehr messbar (Bild 3 und 4). (Fast) Perfekte Laserspiegel mit IBS Die Anfänge der IBS-Technik sind in einem Patent [1] aus dem Jahr 1978 zu finden, in welchem die Herstellung von Spiegeln für Laserkreiselsysteme (laser gyroscope) mit geringsten Streulichtverlusten beschrieben wird. Eine Ionenquelle liefert einen gerichteten Edelgas-Ionenstrahl, der auf eine Platte aus dem Beschichtungsmaterial das sogenannte Target gerichtet ist. Aufgrund der hohen kinetischen Energie der Edelgasionen (typisch 1250 ev) werden aus dem Target Atome infolge einer Stoßkaskade herausgesprengt. Diese wiederum kondensieren auf den zu beschichtenden Substraten. Da die mittlere kinetische Energie dieser Adatome im Bereich einiger ev liegt, und damit etwa eine oder zwei Größenordnungen höher ist als beim thermischen Verdampfen, werden absolut kompakte Schichten mit einer amorphen Mikrostruktur und geringer Rauheit erzeugt (Bild 5). Mit der Etablierung des Ionenstrahlzerstäubens durch industriereife Maschinentechnologie wurde ein bedeutender technischer Entwicklungsschub erreicht. Entscheidend hierbei war, dass die wartungsanfälligen Kaufman-Quellen (basierend auf Glühkathoden) durch langzeitstabile Hochfrequenz-Ionenquellen ersetzt wurden. Letztere waren ursprünglich als Raumfahrtantrieb an der Universität Gießen entwickelt worden [2]. Industrietaugliche IBS-Maschinen sind heute mit einer zweiten Ionenquelle ausgerüstet, die auf die Substrate gerichtet ist und optional vor der Beschichtung zur Substratvorbehandlung (Reinigen/Ätzen) oder während der Beschichtung zur Stützung verwendet werden kann (Bild 6). Die Spektrale Verschiebung durch Temperatur heutigen Beschichtungsraten betragen zirka 0,25 nm/s (materialabhängig), wobei die durch Substrate belegbare Fläche zirka 500 cm 2 groß ist. Bei der Effizienz ist das Verfahren damit anderen klar unterlegen, aber für bestimmte Anwendungen die einzig praktikable Lösung. So müssen die Superspiegel bei 633 nm für die oben erwähnte Laserkreiselanwendung Streulichtverluste von deutlich unter 10 ppm aufweisen, was mit IBS erreichbar ist. Die Messung der Streulichtverluste (total backscattering, TBS, nach ISO 13696) eines solchen bei Laseroptik hergestellten Spiegels am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik in Jena ergab sogar TBS=1,1 ppm, was bei einer typischen V 2 Die Filterkurve eines aufgedampften Spiegels ist aufgrund der porösen Mikrostruktur stark temperaturabhängig. Die spektrale Verschiebung kann durch Wasseraufnahme und -abgabe und die damit verbundenen Brechwertänderungen erklärt werden Temperaturstabiles Verhalten bei IBS 3 Die Kennlinie eines IBS-Filters ist temperaturstabil 1 2010 Laser+Photonik 31
Verfahren im Vergleich 4 Die thermisch induzierte spektrale Verschiebung für das IBS-Filter aus Bild 3 und das Schichtsystem aus Bild 2 im Vergleich. Ohne eine durch Schichtporen hervorgerufene negative Shift dominieren andere, wesentlich kleinere Effekte (die Temperaturabhängigkeit der Brechwerte und die thermische Ausdehnung der Schicht- und Substratmaterialien) V Absorption und Resttransmission von zusammen <15 ppm einer Reflektivität von >99,998 Prozent entspricht und dem perfekten Laserspiegel mit 100 Prozent Reflexion sehr nahe kommt [3]. Eine Voraussetzung ist jedoch, dass man superpolierte Substrate (Oberflächenrauheit <1 Å rms) einsetzt und alle Regeln der Reinraumtechnik und Sauberkeit penibel beachtet. Eine weitere wichtige Anwendung solcher Superspiegel sind cavity ring-down (CRD) Messungen. Bei der cavity ring-down Spektroskopie [4] werden die Abklingzeit eines Resonators und somit die Resonatorverluste gemessen, um Spurengaskonzentrationen im Resonator nachzuweisen. In der Peripherie des IBS selbst wird das CRD als Messverfahren eingesetzt, um die Verluste solcher höchstreflektierenden Optiken im Rahmen der Qualitätssicherung zu bestimmen. Damit sind Messungen von mehr als sechs Neunen möglich, sofern die Referenzoptiken im Messgerät gut genug sind. IBS für präzise Hochleistungsbeschichtungen 5 Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Nb 2 O 5 /SiO 2 - Schichtstapels, der mittels IBS hergestellt wurde. Die Schichten sind frei von Hohlräumen, zeigen eine perfekte amorphe Mikrostruktur und extrem glatte Grenzschichten Im Gegensatz zum herkömmlichen Elektronenstrahl-Aufdampfen zeigen die IBS- Schichten keine Säulenstruktur, keine Fehlstellen und Spritzer sowie keine Verunreinigungen infolge schlechten Vakuums, die zu Absorption oder Streuung führen können, und weisen eine ausgezeichnete Stabilität der optischen Konstanten auf. Für die meisten Beschichtungen können daher, wie in der Sputtertechnik üblich, die Schichtdicken nach Zeit und Schwingquarzmethode abgeschaltet werden. Wenn es jedoch um breitbandige, gechirpte Spiegel für fs-pulse geht, sehr steile Kantenfilter, nichtpolarisierende Strahlteiler oder Bandpassfilter mit vielen Kavitäten, müssen die Schichtdicken mit einem optischen Breitbandmonitor überwacht werden. Dieser misst in der Beschichtungsanlage in situ die Transmissionskennlinie auf dem rotierenden Substratträger am Ort der scharfen Substrate. Aus einem Vergleich der gemessenen Kurve Laser+Photonik 1 2010
LASERTECHNIK sion anderer Laserkomponenten auszugleichen. Ganz ähnlich können Spiegel so angepasst werden, dass sie fs-pulse zum Beispiel vor einer Verstärkerstufe zeitlich strecken und dahinter wieder komprimieren, um die Komponenten dazwischen vor übermäßiger Belastung zu schützen. Zukunftspfade werden beschritten bei neuartigen Ansätzen wie dem Sputtern von Fluoridmaterialien oder der Herstellung von Rugate-Filtern. Statt auf einer abwechselnd hoch und niedrig brechenden Schichtabfolge basieren Letztere auf Mischschichten, die mittels Durchfahren von speziellen Zonentargets im Ionenstrahl erzeugt werden, wiederum gesteuert durch einen optischen Breitbandmonitor. So entsteht ein Schichtgefüge mit einem tiefenabhängig kontinuierlich variierenden Brechwert. Dieser sanfte Übergang zwischen den Schichtmaterialien führt unter anderem zu höheren Zerstörschwellen. Fazit Für die meisten Anwendungen können Laserkomponenten mit niedrigen Verlusten und hohen Zerstörschwellen kosteneffizient mithilfe des klassischen Elektronenstrahl-Verdampfens beschichtet werden. Wenn jedoch Interferenzfilter mit Nanometer-Genauigkeit und -Stabilität gefordert werden, müssen höherenergetische Beschichtungsverfahren, wie IAD, Magnetron- oder Ionenstrahlsputtern eingesetzt werden. Unter diesen Verfahren ist IBS bezogen auf Präzision, Prozesssicherheit und optische Verluste überlegen und somit das As im Ärmel eines Beschichtungsunternehmens. 6 Aufbau einer modernen IBS-Beschichtungsanlage. Die primäre Hochfrequenz-Ionenquelle (links) emittiert einen gerichteten Strahl hochenergetischer Edelgas-Ionen auf einen Targetwechsler. Eine sekundäre Ionenquelle (unten im Bild) wird optional zur Vorkonditionierung der Substrate oder zur Beeinflussung der optischen und mechanischen Eigenschaften der Schicht eingesetzt mit dem theoretisch erwarteten Spektrum wird jeweils die Schichtdicke der aktuell wachsenden Schicht berechnet und für die automatische Prozesssteuerung genutzt. Sowohl dem Beschichter als auch dem Kunden bleiben so Überraschungen erspart. Die hohe Prozesssicherheit reduziert damit zugleich die Ausfallgefahr, die bei der Beschichtung von kostenintensiven Spezialsubstraten wie nichtlinearen oder Laser- Kristallen, Faserenden, Halbleitern oder den erwähnten superpolierten Optiken mit einem großen Wertrisiko einhergeht. Ein weiteres Arbeitsgebiet, das den Einsatz des aufwendigen IBS-Verfahrens in Verbindung mit ausgeklügelter Prozesskontrolle rechtfertigt, ist die Herstellung phasenoptimierter Spiegel. Sogenannte chirped mirrors werden in Femtosekunden- Lasern eingesetzt, um die normale Disper- AUTOREN LITERATUR 1 D.T. Wei, A.W. Louderback, Method for Fabricating Multi-Layer Optical Films, US-Patent Nr. 4142958 2 H.W. Löb, Ein elektrostatisches Raketentriebwerk mit Hochfrequenzionenquelle, Astronautica Acta VIII, Heft 1 (1962), S.49 3 Mit freundlichem Dank für die Messungen an Dr. Angela Duparré vom Fraunhofer IOF, Jena 4 A. O'Keefe, D.A.G. Deacon, Cavity Ringdown Spectroscopy for absorption measurements using pulsed laser sources, Rev.Sci.Instrum. 59 (1988), S.2544 2551 DR. WOLFGANG EBERT ist Gesellschafter und Geschäftsführer von Laseroptik, das auf die Herstellung von Beschichtungen und Laserspiegeln spezialisiert ist. DIPL.-PHYS. TOBIAS GROß betreut den Bereich IBS bei Laseroptik. www.laser-photonik.de Diesen Artikel finden Sie online unter der Dokumentennummer LP110049 www.laser-photonics.eu You can find this article online by entering the document number elp110049 1 2010 Laser+Photonik 33