Ultra-Präzisionsoberflächen
Ultra-Präzisionsoberflächen
Im Forschungsbereich Ultra-Präzisionsoberflächen entwickelt das IOM Technologien zur Bearbeitung optischer Oberflächen mit Genauigkeiten bis in den Sub-Nanometerbereich. Damit entstehen zentrale Voraussetzungen für Schlüsseltechnologien – von der Halbleiterlithographie über Hochleistungslaser bis hin zur Weltraumoptik.
Dabei decken die Arbeitsgruppen gemeinsam die gesamte Prozesskette der ultrapräzisen Oberflächenbearbeitung ab – von der Entwicklung und Kombination strahlbasierter Verfahren über die gezielte Materialbearbeitung bis hin zur anwendungsnahen Umsetzung in optischen und photonischen Systemen.
Themenwelten
Strahlbasierte Verfahren und hybride Ansätze
- Strahlbasierte Verfahren auf Basis von Ionenstrahlen, Plasmajets und Laserprozessen
- Berührungslose Bearbeitung durch gezielten Materialabtrag, Glättung und Strukturierung
- Kombination und Weiterentwicklung hybrider Verfahren (z. B. Plasma + Laser)
- Präzise Kontrolle von Oberflächen über alle relevanten laterale und vertikale Skalen hinweg
Einsatz in Optik, Photonik und Industrie
- Optiken für die Halbleiterfertigung (EUV-Lithographie)
- Komponenten für Photonik und Hochleistungslaser
- Präzisionsoptiken für Weltraumteleskope und Sensorik
- Funktionale Oberflächen für industrielle Anwendungen
Von der Grundlagenforschung zur Anwendung
- Verbindung von Experiment, Simulation und Modellierung
- Entwicklung von Technologien von der Werkzeugauslegung bis zur Anwendung
- Eigene Forschungsinfrastruktur mit spezialisierten Strahlquellen, Bearbeitungsanlagen, und Oberflächenanalytik
- Enge Zusammenarbeit mit Industriepartnern zur Überführung in die Praxis
Präzision, Skalierung und Transfer
- Präzision bis in den Sub-Nanometerbereich
- Bearbeitung von Strukturen von wenigen Nanometern bis zu großen Flächen
- Kombination aus grundlagenorientierter Forschung und technologischer Umsetzung
- Beiträge zu Digitalisierung, Sensorik, Energie- und Umwelttechnologien
Strahlbasierte Verfahren und hybride Ansätze
- Strahlbasierte Verfahren auf Basis von Ionenstrahlen, Plasmajets und Laserprozessen
- Berührungslose Bearbeitung durch gezielten Materialabtrag, Glättung und Strukturierung
- Kombination und Weiterentwicklung hybrider Verfahren (z. B. Plasma + Laser)
- Präzise Kontrolle von Oberflächen über alle relevanten laterale und vertikale Skalen hinweg
Freiformoptiken für Hochleistungssysteme
Nanometergenaue Formgebung für Lithographie, Laser und Weltraumoptik
Die Herstellung hochpräziser optischer Oberflächen mit komplexen Geometrien – insbesondere Freiformflächen – stellt eine zentrale Herausforderung moderner Optiksysteme dar. Anwendungen reichen von der EUV-Lithographie über Hochleistungslaser bis hin zu Weltraumteleskopen.
Am IOM werden hierfür strahlbasierte Verfahren wie Ionenstrahlbearbeitung und Plasmajet-Ätzen eingesetzt, die eine berührungslose und lokal hochpräzise Korrektur von Oberflächen ermöglichen. Diese Methoden erlauben die gezielte Optimierung über alle relevanten Skalen – von der globalen Form bis zur Nanorauheit.
Ein aktueller Schwerpunkt liegt auf der Erforschung der Kombination physikalischer und chemischer Abtragsmechanismen, etwa durch den Einsatz reaktiver Gase oder hybrider Verfahren. Dadurch können neue Wechselwirkungseffekte induziert werden, um die Vielfalt bearbeitbarer Materialien oder Bearbeitungsgeschwindigkeit und deutlich zu erweitern.
Ergebnis:
- Formgenauigkeit bis in den Sub-Nanometerbereich
- deutlich verbesserte optische Performance
- Übertragbarkeit in industrielle Fertigungsprozesse
Plasmajet-Bearbeitung für schnelle und skalierbare Prozesse
Ultrapräzision ohne Vakuum – effizient und industrienah
Vakuumbasierte Verfahren bieten höchste Präzision, sind jedoch oft zeit- und kostenintensiv. Deshalb entwickelt das IOM alternative Ansätze wie die Plasmajet-Bearbeitung bei Atmosphärendruck.
Diese Technologie ermöglicht deutlich höhere Abtragsraten – teilweise um mehrere Größenordnungen – und reduziert gleichzeitig die Komplexität der Anlagen. Durch gezielte Prozessführung können auch anspruchsvolle Materialien präzise bearbeitet werden.
Die Verfahren werden kontinuierlich weiterentwickelt, um sowohl Oberflächenqualität als auch Prozessstabilität zu optimieren und für industrielle Anwendungen nutzbar zu machen.
Ergebnis:
- bis zu 100–1000-fach höhere Prozessgeschwindigkeit gegenüber Ionenstrahlverfahren
- reduzierte Anlagenkomplexität
- hohes Potenzial für industrielle Skalierung
Ultraglatte Oberflächen durch Ionenstrahl-Planarisierung
Nanometerrauhigkeit gezielt reduzieren für maximale optische Qualität
Für viele optische Anwendungen ist eine extrem geringe Oberflächenrauheit entscheidend, um Streuverluste zu minimieren und die Leistungsfähigkeit zu maximieren.
Am IOM wird hierfür ein innovativer Ansatz verfolgt: die Kombination aus Foto-Resisten und Ionenstrahlbearbeitung zur gezielten Planarisierung strukturierter Oberflächen.
Dabei wird ein speziell entwickelter Resist aufgetragen und anschließend kontrolliert abgetragen, sodass sich die Oberflächenstruktur glättet und präzise in das Substrat übertragen lässt. Zusätzlich können Selbstorganisationseffekte bei direkter Ionenbestrahlung für die Ultraglättung von Oberflächen eingesetzt werden.
Ergebnis:
- Reduktion der Rauheit von 13 nm auf 0,5 nm
- deutlich verbesserte Nivellierung gegenüber Standardverfahren
- stabile und reproduzierbare Prozesse auch für komplexe Strukturen
Mikro- und Nanostrukturierung durch ionenstrahlgestützten Patterntransfer
Laserbasierte Präzisionsbearbeitung von Optiken
Innovative Laserplasmen für die photonische Fertigung
Die steigenden Anforderungen an optische und photonische Oberflächen erfordern die kontinuierliche Entwicklung neuartiger Bearbeitungsverfahren. Neben der reinen Intensität des Werkzeugeffekts zählen vor allem die präzise Kontrollierbarkeit sowie ein berührungsloser Werkzeugeingriff zu den zentralen Herausforderungen zukünftiger Prozesse.
Am IOM werden hierfür laserinduzierte Plasmen als innovatives Bearbeitungswerkzeug erforscht. Die extrem hohen Intensitäten moderner Ultrakurzpulslaser ermöglichen es, freistehende Mikroplasmen in Gasatmosphären gezielt und ohne elektrische Entladungen zu zünden.
Das Plasma dient dabei als hochpräzises Ätzmittel für den Materialabtrag auf atomarer Ebene. Durch die Größe der Plasmen im Bereich von 10 bis 100 µm lassen sich Strukturgrößen bearbeiten, die mit konventionellen Verfahren nur schwer r adressierbar sind.
Ergebnis:
- Höchste Präzision: Exzellente Prozesskontrolle durch minimale mittlere Abtragsrate im Bereich von wenigen Pikometern pro Laserpuls (pm/Puls)
- Hohe Oberflächenqualität: Ultraglatte Oberflächenmorphologie mit Rauheiten von unter 2 nm RMS ohne strukturelle Defekte
- Hohe Skalierbarkeit: Effiziente Flächenbearbeitung durch den Einsatz hochrepetierender Laserquellen
Ionenstrahl- und plasmajetgestützte Ultrapräzisionsformgebung
