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Plasma und Optische Technologien: Erhöhung der Qualität und Ausbeute optischer Beschichtungstechnologien

Hightech-Oberflächen - mit Photonik herstellen und für die Photonik nutzen!

Die Funktionalisierung von Oberflächen und Schichten ist eine der wesentlichen Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. So ist sie Wegbereiter für den Wandel der Photonik hin zu hochintegrierten Komponenten, verhilft traditionellen Werkstoffen zu neuen oder verbesserten Eigenschaften, erschließt neue Materialien für eine ressourcenschonende industrielle Nutzung und erhöht Effizienz und Langlebigkeit regenerativer Energieerzeugung. Dabei erfordert die Funktionalisierung von Oberflächen und Schichten hochpräzise Werkzeuge, die zugleich zuverlässig und effizient arbeiten. Kaum eine andere Technologie vereinigt diese Eigenschaften so wie die Photonik.

Mit der Fördermaßnahme „Die Basis der Photonik: funktionale Oberflächen und Schichten“ im Rahmen des Programms „Photonik Forschung Deutschland“ verfolgt das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) das Ziel, bestehende Hemmnisse bei der Erzeugung funktionaler Oberflächen bzw. Beschichtungen durch die Nutzung photonischer Verfahren und Werkzeuge zu überwinden, als auch neue Anwendungsbereiche funktionaler Oberflächen und Schichten zu erschließen. Für die Forschungsarbeiten in insgesamt 13 Verbundprojekten stellt das BMBF insgesamt ca. 34 Millionen Euro zur Verfügung.

Erforschung von Methoden zur Verbesserung von Qualität, Reproduzierbarkeit und Ausbeute plasmabasierter Beschichtungsprozesse

Für die Erforschung optischer Schichten, die höchsten Qualitätsansprüchen genügen, sind Plasmaprozesse unverzichtbar. Zwei in der Photonik besonders wichtige plasmabasierte Abscheideverfahren, das plasmaionengestützte Elektronenstrahlverdampfen und die Ionenstrahl-Zerstäubung, sowie zwei weitere, in der Halbleiter- und Werkstofftechnik wichtige Verfahren, plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung und deren konstruktive Variante Roll-to-Roll-Chemical Vapor Deposition stehen in diesem Verbundprojekt im Mittelpunkt.

Nach Erfolgen aus dem gemeinsamen Grundlagenprojekt Plasma und optische Technologie (PluTO, 2009 – 2014), das vom BMBF mit 4,8 Mio. € gefördert wurde, werden die Erkenntnisse nun mit aktiver Industriebeteiligung zur Erforschung von auf Plasmakenngrößen basierenden Regelungskonzepten eingesetzt. Übergeordnetes Ziel ist hierbei, Ausbeute und Qualität funktionaler Schichten zu steigern und die Streuung ihrer geometrischen und Materialeigenschaften zu vermindern. 

In-situ Erfassung von Plasmakenngößen zur aktiven Regelung ermöglicht die Steigerung der Langzeitstabilität der Beschichtungsprozesse

Bisher beschränkt sich die Prozessführung auf die Steuerung von Betriebsgrößen, wie Gasflüsse, elektrische Spannungen oder Ströme. Das hohe Qualitätsniveau optischer Schichten wurde durch die im Verlauf des vergangenen Jahrzehnts perfektionierten Methoden zur Kontrolle der optischen Schichtdicken erreicht. Hingegen sind die für die Schichtbildung entscheidenden internen Plasmakenngrößen nicht zugänglich.

Das Verbundprojekt erforscht neuartige prozesskompatible Diagnostikverfahren zur in-situ Erfassung von Plasmaparametern. Hierzu zählen insbesondere die Multipolresonanzsonde zur Bestimmung der Elektronendichte und spektroskopische Verfahren. Die Multipolresonanzsonde arbeitet nach dem Prinzip der aktiven Plasmaresonanzspektroskopie und zeichnet sich durch geringe Abmessungen sowie Unempfindlichkeit gegenüber Beschichtung mit nichtleitendem Material aus.

Daneben werden physikalische Modelle für die eingesetzten Plasmaquellen und die Prozessplasmen erstellt und schließlich mit der in-situ Diagnostik zu einer modellbasierten, aktiven Regelung der Beschichtungsprozesse kombiniert. Zusätzlich wird in der Zusammenarbeit aus Optik- und Plasmaforschern die Verknüpfung von in-situ Diagnostik des Plasmas und der wachsenden Schicht vorgenommen. Mit diesem Konzept soll ein bislang unerreichter Grad an Prozessstabilität sichergestellt werden, indem die in konventioneller Prozessführung auftretenden Driften vermieden werden.

Mit diesen neuen, präzisen plasmabasierten Regelungskonzepten können Schichteigenschaften gezielter als bisher eingestellt werden. Damit wird der Material- und Energieeinsatz zur Herstellung der Schichtsysteme effizienter gestaltet. Durch die Erforschung der Plasmaprozesse wird also eine Qualitätssteigerung in Verbindung mit Ressourceneffizienz sowie Kostenreduzierung erreicht und so das Anwendungsspektrum der genannten Depositionsverfahren für die Herstellung komplexer Schichtsysteme erheblich erweitert. Anwendungen finden sich in vielen Bereichen, wie Bildgebung, Ophthalmik, Messtechnik, Kommunikationstechnik, Laseroptik oder dem Automobilbereich.

Projektdetails

Koordinator

Dr.Harro Hagedorn
Bühler Alzenau GmbH
Siemensstr. 88, 63755Alzenau
+49 6023 500-162

Projektvolumen

9,5 Mio € (60% Förderanteil durch das BMBF)

Projektdauer

01.10.2014 - 30.09.2018

Projektpartner

Bühler Alzenau GmbHAlzenau
IMST GmbHKamp-Lintfort
Robert Bosch GmbH - Zentralbereich Forschung und Vorausentwicklung - Angewandte Forschung 1 - Beschichtungstechnologien und OberflächentechnikGerlingen
Laser Components Gesellschaft für den Vertrieb und die Fertigung von Lasern und optoelektronischen Komponenten mbHOlching
LAYERTEC - optische Beschichtungen GmbHMellingen
ESI Software Germany GmbHStuttgart
Cutting Edge Coatings GmbHHannover
Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF)Jena
Ruhr-Universität Bochum - Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik - Lehrstuhl für theoretische ElektrotechnikBochum
Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e. V. (INP Greifswald)Greifswald
Laser Zentrum Hannover e. V. - Abt. LaserkomponentenHannover
Applied Materials WEB Coating GmbHAlzenau