P. Kadkhoda
S. Schlichting
F. Carstens
A. Wienke

Optisches Breit-Band-Monitoring: Konzepte und Trends

Colloquium für optische Spektrometrie (COSP)
26.-27. September
Jena
2022
Type: Konferenzbeitrag
Abstract
Die präzise Herstellung von Schichtsystemen mit sehr komplizierten optischen Funktionen ist eine der größten Herausforderungen in der modernen Dünnschichttechnologie. Die Realisierung komplizierter Schichtdesigns mit konventionellen Fertigungstechniken erfolgt i.A. in mehreren Iterationsschritten. Hierbei ist die Ausschussrate relativ hoch, da die optischen Schichtdicken sehr genau eingestellt und die Dispersionsdaten genau bestimmt werden müssen. Die optische In-situ-Spektrometrie ist heute in der Regel die Prozesskontrollmethode der Wahl. Im Rahmen mehrerer Forschungsprojekte wurden am LZH Untersuchungen zur Stabilität und zur Reproduzierbarkeit von Beschichtungen durchgeführt. Auf dem Weg zum angestrebten idealen Prozesskonzept wurde eine Vielzahl von Ansätzen zur Dickenkontrolle der aufwachsenden Schichten untersucht. In unserem Beitrag stellen wir das entwickelte Modul zum breitbandigen Online-Monitoring (BBM) für die Integration in Beschichtungsanlagen vor, welches den Anforderungen der modernen Optikproduktion genügt, sowie weiterführende Entwicklungen aufgrund des modularen Aufbaus zulässt. Neben dem Basiskonzept zur Transmissionsmessung stellen wir die Zusatzkonfigurationen zur Online-Reflexions- bzw. Homogenitätsmessung vor, die weitere Möglichkeiten zum Eingreifen in den Beschichtungsprozess mit Ziel einer In-situ-Anpassung des Vorgangs erlauben und dadurch die Fehlproduktion minimieren. Basierend auf dem Reflexionsmodul ist die Messung von „Group Delay Dispersion“ (GDD) realisiert, welche die spektrale Phasenänderung des Lichts nach Reflexion an den Optiken während der Herstellung bestimmt. Die Phase reagiert dabei extrem empfindlich auf Schichtdickenänderung. Im speziellen Fall der „Chirped Mirrors“ ist das In-situ-GDD-Monitoring ein neuer Ansatz, der die Vorteile des optischen Monitorings auch für Phaseneigenschaften ermöglicht. Mit der Entwicklung von fortschrittlichen Spektralphotometern auf Basis einer Gitter-CCD-Kamera-Kombination können Spektren von UV bis NIR-Bereich in wenigen Millisekunden aufgenommen werden. Im BBM-Modul integrierte Spektrometer generieren enorme Mengen an Daten, die zur In-situ-Analyse der hergestellten Beschichtungen benutzt werden. Eine nachträgliche Verarbeitung der Daten kann auch zum besseren Verständnis der linearen Prozesskette und deren Einfluss auf das Endprodukt selbst führen. Bei einer Unstimmigkeit der optischen Funktion bzgl. der vorgegebenen Zielwerte können die „realen“ optischen Parameter neu berechnet werden (ReCalc). Während der Beschichtung und im Fall einer Abweichung von den Spezifikations-Zielwerten können die noch folgenden optischen Schichtdicken neu berechnet werden, um eine Anpassung des optischen Designs und der weiteren Prozesskette ab dem Zeitpunkt der Berechnung vorzunehmen. Hiermit lässt sich der Produktionsausschuss entsprechend optimieren (ReOpt). Das BBM-Modul ist als ein universelles System für die spektrale In-situ-Messung in modernen Beschichtungsanlagen konzipiert, welches mit Hilfe von gängigen Zusatzkomponenten auch in den Anlagen älterer Generation leicht integriert werden kann. Die ausgewerteten Messdaten liefern eine solide Basis für die Entscheidungsfindung für einen angepassten Eingriff in die Steuerung der Beschichtungsvorgänge. Ein zukünftiger Einsatz von künstlicher Intelligenz für mögliche Lösungsansätze wird angestrebt, um stabilere Prozessketten zu organisieren und qualitativ bessere Produkte zu ermöglichen.