Ionenstrahlgestützte Strukturierung und Glättung
Ionenstrahl- und plasmajetgestützte Ultrapräzisionsformgebung
Nanometergenaue Formgebung komplexer Oberflächen für Optik und Mikroelektronik.
Für Anwendungen in Präzisionsoptik und Mikroelektronik werden Oberflächen mit Genauigkeiten bis in den Nanometer- und Sub-Nanometerbereich benötigt. Am IOM werden dafür strahlbasierte Verfahren entwickelt, die eine gezielte und berührungslose Formgebung komplexer Oberflächen ermöglichen.
Technologien und Verfahren der Präzisionsformgebung
- Entwicklung ultrapräziser Bearbeitungsverfahren auf Basis von Ionenstrahlen (Ion Beam Figuring) und reaktivem Plasmajetätzen
- Kombination von Plasma- und Laserprozessen für hybride Fertigungstechnologien
- Untersuchung und Modellierung der Wechselwirkungen zwischen Strahl und Material auf atomarer Ebene
- Optimierung von Strahlwerkzeugen für unterschiedliche Materialien und Anwendungen
Anwendungen in Optik, Mikroelektronik und Photonik
- Herstellung und Korrektur von Asphären und Freiformoptiken
- Optische Komponenten für Halbleiterfertigung, Hochleistungslaser und Photonik
- Präzisionsoberflächen für anspruchsvolle Anwendungen in Industrie und Forschung
Von der Prozessmodellierung zur Anwendung
- Deterministische Bearbeitung auf Basis von Simulationen und Prozessmodellen
- Präzise Kontrolle von Form, Struktur und Rauheit über alle relevanten Skalen
- Anwendbar auf optische Gläser, Keramiken und Metalle
- Verbindung von Grundlagenverständnis und technologischer Umsetzung
Projekte
Al-ION - Optimierung diamant-zerspanter RSA-Al501–Oberflächen für optische Anwendungen durch prozessintegrierte Ionenstrahlbearbeitung
In diesem Projekt wird die Herstellung hocheffizienter Metalloptiken für Anwendungen im UV-VIS-Bereich mittels einer Prozesskette aus Ultrapräzisionszerspanung und nachfolgender Ionenstrahlbearbeitung untersucht. Ziel ist es, die Ursachen-Wirkungs-Beziehungen beider Prozessschritte besser zu verstehen, insbesondere im Hinblick auf die durch die diamantgestützte Zerspanung veränderten Randzoneneigenschaften feinkörniger RSA-Al501-Legierungen. In Kooperation mit der TU Berlin werden die Auswirkungen dieser Veränderungen auf ionenstrahlbasierte Glättungs- und Abtragsprozesse analysiert. Auf dieser Basis sollen Prozessstrategien und -parameter zur Formkorrektur und Oberflächenoptimierung entwickelt werden. Dabei wird angestrebt, Rauheitswerte unter Rq < 0,5 nm bei Formabweichungen unter 2 nm zu realisieren.
Gefördert durch DFG
ECRION - Entwicklung und Charakterisierung einer kompakten reaktivgastauglichen ECR-Ionenstrahl-Einbauquelle
Das Forschungsvorhaben zielt auf die Entwicklung einer neuartigen, reaktivgasfähigen, mikrowellenangeregten Ionenstrahlquelle für die ultrapräzise Bearbeitung optischer Oberflächen und Halbleitermaterialien. Adressiert werden zentrale Herausforderungen wie Langzeitstabilität, Energieeffizienz, Gaseinsatz sowie die präzise Steuerung von Strahlstromdichte und Strahlform. Angestrebt wird eine Steigerung der Prozessperformance um mehr als den Faktor 10. Das Projekt umfasst Konzeption, Konstruktion und Realisierung der Ionenquelle sowie deren elektrische, mikrowellentechnische und strahlphysikalische Charakterisierung. Ergänzend werden Mikrowelleneinkopplung, Plasmaerzeugung, Ionenextraktion und Strahlformung simulationsgestützt untersucht. Ziel ist ein funktionsfähiger ECR-Ionenstrahlquellen-Prototyp mit etwa 5 mm Strahlbreite und 20 mA Strahlstrom sowie ein zugehöriger digitaler Zwilling.
TRADES - Training & Research in Advanced Dispersion Engineered grating-waveguide Structures
Das Doktorandenausbildungsnetzwerk mit acht europäischen Partnern adressiert den bestehenden Fachkräftemangel im Bereich der Photonik durch ein strukturiertes Forschungs- und Ausbildungsprogramm für Promovierende. Im Programm entwickeln 15 Doktoranden innovative optische Komponenten auf Basis von Wellenleiterstrukturen mit Subwellenlängen-Gittern für Hochleistungslaseranwendungen. Dabei werden modernste Abscheidungs-, Lithografie- und Ätztechniken zur Optimierung von Herstellbarkeit, Effizienz (> 99,9 %) und Laserschadensschwelle (> 1 J/cm²) für Sub-Pikosekunden-Impulse eingesetzt. Speziell am IOM werden Ionenstrahlverfahren zur Herstellung diffraktiver Strukturen untersucht. Ergänzend erhalten die Stipendiaten eine praxisnahe Ausbildung in Innovationsmanagement, Unternehmertum und wirtschaftlicher Verwertung zur Vorbereitung auf Karrieren in Forschung und Entwicklung der Photonik.
Gefördert durch EU/MCSN.
RIBF 1000 - Ionenstrahl-Bearbeitungsplattform
Mit der Ausschreibung "Europa fördert Sachsen" investiert der Freistaat Sachsen (Sächsische Aufbaubank - SAB) mit Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) ca. 2 Millionen Euro in den Ausbau der Forschungsinfrastruktur am IOM. Damit wird die Innovationskraft des IOM gestärkt und die nationale und internationale Sichtbarkeit erhöht. Ziel des Projektes ist es, eine Ionenstrahl-Bearbeitungsplattform am IOM zu etablieren, die es erstmals erlaubt, chemisch-reaktiv unterstützte Bearbeitungsprozesse (Reactive Ion Beam Figuring, R-IBF) auf optischen Substraten mit Dimensionen von bis zu 1 m² zu untersuchen und innovative deterministische (d.h. CNC-verweilzeitgesteuerte) Verfahren zur ultrapräzisen Formkorrektur, Ultraglättung bzw. Mikro/Nanostrukturierung von Oberflächen zu entwickeln. Im Fokus stehen dabei besonders Bearbeitungsprozesse zur Herstellung von Astro- und Laseroptiken. Damit sollen die Potenziale der Ionenstrahlbearbeitungstechnologie im Anwendungsfeld Optik, Photonik und Halbleiterfertigung signifikant gegenüber dem derzeitigen Stand der Technik erweitert werden.
Gefördert durch EFRE/SAB.
tigeR - Multiskalige Risscharakterisierung in der Optikfertigung
Im Forschungsprojekt werden in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der EAH Jena Methoden zur Charakterisierung oberflächennaher Schädigungen in optischen Oberflächen, sogenannter Sub-surface damage (SSD) untersucht. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, mit der Entwicklung eines zerstörungsfreien Messverfahrens (optical coherence toomography, OCT) das Problem der Defektcharakterisierung in der Optik- und Glasindustrie zu adressieren. Im Rahmen des Projekts wird eine Validierung und Optimierung des OCT-Messverfahrens durch die tiefenaufgelöste Präparation von Rissschäden mittels reaktivem Plasmajet- und Ionenstrahlätzen angestrebt. Schließlich sollen Prozessketten zur Fertigung defekt-armer Optiken mittels Ultrafeinstschleifen und Plasmajet-gestütztem Polieren evaluiert werden.
Gefördert durch IGF/F.O.M.
LasPlasJet - Laserstimulierte reaktive Atmosphärendruck-Plasmajet-Ätzprozesse zur Ultrapräzisionsbearbeitung optischer Gläser
Im Projekt LasPlasJet werden grundlegende Mechanismen beim laserunterstützen reaktiven Atmosphärendruck-Plasmajetätzen von optischen Gläsern und Glaskeramiken untersucht. Die im Vorhaben betrachteten Materialien wie N-BK7 und Zerodur beinhalten Metalloxide, die beim Plasmajetätzen nichtflüchtige Reaktionsprodukte bilden, so dass ein gleichmäßiger, zeitlich konstanter und rauheitserhaltender Materialabtrag nicht zu erreichen ist. Durch zusätzliche durch Laserstrahlung vor, während oder nach dem Plasmaätzen eingebrachte Energie soll der Abtragsprozess gezielt beeinflusst und somit Ätzrate und Ätzselektivität, Rauheit und Homogenität im Sinne einer präzisen Bearbeitung verbessert werden.
Gefördert durch DFG
Al-ION - Optimierung diamant-zerspanter RSA-Al501–Oberflächen für optische Anwendungen durch prozessintegrierte Ionenstrahlbearbeitung
In diesem Projekt wird die Herstellung hocheffizienter Metalloptiken für Anwendungen im UV-VIS-Bereich mittels einer Prozesskette aus Ultrapräzisionszerspanung und nachfolgender Ionenstrahlbearbeitung untersucht. Ziel ist es, die Ursachen-Wirkungs-Beziehungen beider Prozessschritte besser zu verstehen, insbesondere im Hinblick auf die durch die diamantgestützte Zerspanung veränderten Randzoneneigenschaften feinkörniger RSA-Al501-Legierungen. In Kooperation mit der TU Berlin werden die Auswirkungen dieser Veränderungen auf ionenstrahlbasierte Glättungs- und Abtragsprozesse analysiert. Auf dieser Basis sollen Prozessstrategien und -parameter zur Formkorrektur und Oberflächenoptimierung entwickelt werden. Dabei wird angestrebt, Rauheitswerte unter Rq < 0,5 nm bei Formabweichungen unter 2 nm zu realisieren.
Gefördert durch DFG
Publikationshighlights
F. Hölzel, J. Bauer, T. Arnold
Roughness evolution of fused silica, Zerodur® and N-BK7® in reactive ion beam figuring processes
Surf. Interfaces 69 (2025) 106769, 10.1016/j.surfin.2025.106769
Reactive Ion Beam Figuring (RIBF) ist eine Weiterentwicklung des herkömmlichen Ion Beam Figuring (IBF) und ermöglicht die ultrapräzise Fertigung optischer Komponenten. Diese Studie untersucht den Einfluss reaktiver Prozesse auf drei gängige optische Werkstoffe: Quarzglas, N-BK7Ⓡ und ZerodurⓇ. Die Ergebnisse zeigen materialspezifische Bearbeitungsgrenzen für RIBF auf und belegen gleichzeitig eine erhebliche Zeitersparnis bei der Bearbeitung im Vergleich zum herkömmlichen IBF.
H. Müller, S. Henkel, Chr. Schulze, S. Frank, J. Bliedtner, Th. Arnold
Freeform surfaces manufactured with a combination of ultra-fine grinding and plasma jet polishing
J. Eur. Opt. Soc. Rapid Publ. 21 (2025) 12, 10.1051/jeos/2025007
Um den wachsenden Anforderungen der Freiformfertigung gerecht zu werden, wurde die Machbarkeit einer neuen Prozesskette untersucht, bei der mehrere Freiformschleifschritte mit thermisch induziertem Plasmastrahlpolieren kombiniert werden. Es zeigte sich, dass die Oberflächenqualität nach dem Ultrafeinschleifen hinsichtlich Formgenauigkeit, Fehlern im mittleren Frequenzbereich und Rauheit für das anschließende Plasmastrahlpolieren ausreichend war. Die Oberflächenform bleibt während des Plasmapolierens erhalten, und es lässt sich eine Oberflächenrauheit von Sq < 0,5 nm erzielen.
R. Heinke, L. Silhan, M. Ehrhardt, P. Lorenz, J. Zajadacz, J. Bauer, T. Arnold, M. Sery, K. Zimmer
Stability of masking materials for pattern transfer of lithographic masks into fused silica by atmospheric pressure plasma jet etching
Micro and Nano Eng. 28 (2025) 100309, 10.1016/j.mne.2025.100309
Der Strukturübertrag von lithografischen Resistmasken auf optisches Glas unter Verwendung von reaktiven Plasmajets bei Atmosphärendruck wurde als neuer Ansatz zur Mikrostrukturierung optischer Oberflächen untersucht. Die Ätzraten verschiedener Fotolacke und Quarzglas wurden in Abhängigkeit von der Gaszusammensetzung des Plasmajets untersucht. Schließlich wurde der Übertrag eines Beugungsgitters mit einer Periode von 15 μm, einer Tiefe von 230 nm und einer Rauheit unter 2 nm RMS auf Quarzglas mittels eines Plasmastrahls demonstriert.
M. Ehrhardt, P. Lorenz, J. Zajadacz, R. Heinke, T. Arnold, K. Zimmer
Transfer of micron pattern with reactive atmospheric plasma jets into fused silica
Appl. Surf. Sci. Adv. 23 (2024) 100636, 10.1016/j.apsadv.2024.100636
Die Erzeugung von Mikrostrukturen auf optischen Oberflächen unter Verwendung von Atmosphärendruckverfahren ist in verschiedenen Anwendungsbereichen von technologischem Interesse. Das reaktive Ätzen mit atmosphärischem Plasmajet wurde als Verfahren zur Übertragung von Metallmasken-Strukturen in Quarzglas untersucht. Linienmuster mit einer Breite von 2,5 µm bis 50 µm wurden einem scannenden CF₄/O₂-Plasmajet ausgesetzt, wodurch die Strukturen mit einer Strukturhöhe von bis zu 3,5 µm in das Substratmaterial übertragen wurden.
F. Hölzel, D. Rolón, J. Bauer, J. Kober, S. Kühne, F. Pietag, D. Oberschmidt, T. Arnold,
Reactive ion beam smoothing of rapidly solidified aluminum (RSA) 501 surfaces for potential visible and ultraviolet light applications
Surf. Interfaces 38 (2023) 102784, 10.1016/j.surfin.2023.102784.
Anwendungen im sichtbaren (VIS) und ultravioletten (UV) Spektralbereich erfordern optische Elemente aus Aluminiumlegierungen mit einer Oberflächenrauheit im Subnanometerbereich. Es wurde der Einsatz der reaktiven Ionenstrahlbearbeitung mit den Prozessgasen CF₄ und N₂ untersucht. Es hat sich gezeigt, dass sich der vom Ionen-Einfallswinkel abhängige Unterschied in den Ätzraten von Ausscheidungen und Grundmaterial positiv auf die Verringerung der Höhe der aus der Oberfläche herausragenden Ausscheidungen auswirkt. Im Bereich der Mikrorauheit wurde eine Oberflächenrauheit von Sq = 0,9 nm erreicht.
Ausstattung
- PJM-Anlage: 5-Achs-Plasmajetanlage für Substrate bis 300 mm Durchmesser, reaktive Hochrate-Plasmajetätzquelle
- Profispeed PJM-Anlage Profispeed: 3-Achs-Plasmajetanlage für Substrate bis 300 mm Durchmesser, reaktive Feinstrahl-Plasmajetquelle
- PJM-Anlage: 3-Achs-Plasmajetanlage für Substrate bis 400 mm, RF-Plasmajetquelle
- PJP-Anlage: 5-Achs-Plasmajetanlage für Plasmajetpoliturprozesse, Inertgas-Plasmajetquelle
- NTG200: reaktivgastaugliche Plasmajet- und Ionenstrahlanlage für Substrate bis 100 mm Durchmesser, Feinstrahl-Plasmaquelle, div. Ionenstrahlquellen
- RIBF100: Reaktivgastaugliche Ionenstrahlbearbeitungsanlage für Substrate bis 100 mm Durchmesser, ECR-Feinstrahl-Ionenquelle
- NanoTech: IBF-Anlage für Substrate bis Durchmesser 200 mm, RF-Ionenstrahlquelle
- ASI Stitching Interferometer
- LuphoScan Optischer Profiler
- CyberScan Optischer Profiler
- PGI-Freeform mechanischer Profiler
