UAT - Ultra-Präzisionsbearbeitung mit atomaren Teilchenstrahlen - Leipzig

Die InnoProfile-Initiative "Ultrapräzisionsbearbeitung mit atomaren Teilchenstrahlen" (2007-2012) will ihr regionales Innovationsprofil mit dem folgenden Vorhaben stärken und weiterentwickeln:

Die InnoProfile-Transfer-Initiative

Optische Oberflächen erfordern aufgrund ihrer Wechselwirkung mit Licht höchste Anforderungen bezüglich Formgenauigkeit und Oberflächenqualität. In Abhängigkeit von den verwendeten Lichtwellenlängen müssen Genauigkeiten im Nanometerbereich und darunter erreicht werden. Zunehmend werden in optischen Systemen komplex geformte Oberflächen wie Asphären und Freiformflächen eingesetzt. Anwendungsbeispiele sind Flächen in erd- und weltraumgestützten Teleskopen, für die Lithographie, Synchrotron-Beamlines, Metrologie oder für die Lasertechnik. Zunehmend werden hochgenaue Flächen auch im Maschinenbau eingesetzt. Mit konventionellen Bearbeitungsverfahren und Methoden lassen sich die geforderten Spezifikationen gegenwärtig nicht erreichen. Durch die Verwendung nichtkonventioneller teilchenstrahlbasierter Technologien und Werkzeuge können dagegen prinzipiell solche Genauigkeiten erreicht werden, weil die Wirkmechanismen auf atomarer Skale ablaufen.

Die Ultrapräzisionsbearbeitung von Oberflächen mit atomaren Teilchenstrahlen ist ein Teilbereich der Nanotechnologie und beruht auf der physikalischen und chemischen Modifizierung  von anorganischen Festkörperoberflächen durch niederenergetische Ionen bzw. chemisch reaktive, im Plasma erzeugte Radikale. Mittels Materialabtrag, Materialauftrag bzw. durch anderweitige Modifizierung sollen Oberflächen mit großer lateraler Formen- und Strukturierungsvielfalt sowie einer breiten Materialpalette und Objektgrößen von Millimetern bis zu Metern in entsprechend breit gefächerten Anwendungsfeldern bis zur physikalischen Machbarkeitsgrenze mit Picometer-Toleranz in der Bearbeitungstiefe generiert werden. Dazu ist es notwendig, ein tiefgehendes Verständnis für die zugrundeliegenden physikalisch-chemischen Mechanismen, die darauf basierenden Verfahren, Methoden und Systeme sowie deren Einbettung in effiziente industrielle Prozessketten zu entwickeln. Insofern ist das Arbeitsfeld hochgradig interdisziplinär ausgerichtet und verknüpft natur- und ingenieurwissenschaftliche Fragestellungen aufs Engste.

Das InnoProfile-Transfer-Vorhaben baut unmittelbar auf den im gleichnamigen InnoProfil UAT erarbeiteten Ergebnissen sowie dem geschaffenen wirtschaftlich speziell ausgerichteten Forschungs-, Ausbildungs- und Innovationsprofil auf dem Gebiet der Nanotechnologie auf.

Die Ziele

Das Projekt verfolgt das Ziel, teilchenstrahlgestützte Sub-Apertur-Bearbeitungsverfahren zur deterministischen ultrapräzisen Formgebung, Formkorrektur und zur gezielten Aufrauhung, Strukturierung bzw. Glättung von optischen und präzisionsmechanischen Oberflächen zu untersuchen, zu optimieren und hinsichtlich einer industriellen Nutzung in effizienten Produktionsketten zu qualifizieren. Zielparameter bezüglich aller Ortswellenlängen der Oberflächen sind PV << 10 nm (Peak-to-valley: Abstand zwischen höchstem und niedrigstem Punkt einer Oberflächentopographie), RMS < 0.1 nm (Root mean square: mittlere quadratische Abweichung). Sie betreffen nicht nur den "Proof of Principle"-Status von FuE-Ergebnissen, sondern auch das Prototyp-Niveau einer künftigen Fertigung.

Neben Untersuchungen zur Wirtschaftlichkeit der angestrebten technischen Lösungen umfassen die FuE-Arbeiten ebenso die Prozess-Software, die technologierelevanten Schlüsselkomponenten wie Plasmajet- und Ionenstrahlquellen sowie Beiträge zu kompletten Prozesssystemen. Dabei gilt es, die nichtkonventionellen Technologien im Kontext der existierenden klassischen mechanisch-abrasiven Prozessketten für die Bearbeitung optischer Präzisionsflächen zu entwickeln und dadurch die Akzeptanz dieser Technologien im Praxiseinsatz zu erhöhen.

Die thematischen Schwerpunkte

Das Projekt lässt sich in fünf thematische Schwerpunkte gliedern, denen jeweils mehrere Arbeitspakete zugeordnet sind.

Plasmajet-Formgebung

In mehreren Arbeitspaketen werden subtraktive und additive Plasmajet-Bearbeitungsprozesse optimiert, so dass maximale Bearbeitungsraten für verschiedenste Materialklassen mit höchster Genauigkeit erreicht werden und dabei möglichst wenige Iterationszyklen notwendig sind. Dabei müssen materialspezifische Wechselwirkungsmechanismen berücksichtigt werden.

Ionenstrahlverfahren

Der Einsatz chemisch reaktiver, mit Radiofrequenz (13.56 MHz) angeregter Ionenstrahlquellen mit Strahlquerschnitten, die signifikant kleiner sind als die zu bearbeitenden Oberflächen (sog. Sub-Apertur-Ionenstrahlen), als Alternative zu reaktiven RIBE (Reactive Ion Beam Etching)-Breitstrahlionenquellen soll weiterführend untersucht und für die industrielle Anwendung validiert werden. Auf der Grundlage der bereits durchgeführten Arbeiten soll der Betrieb der Ionenstrahlquellen mit verschiedenen Reaktivgasen (Trifluormethan, Stickstofftrifluorid, Sauerstoff) und verschiedenen Strahlquerschnitten systematisch untersucht werden und eine Technologie zur scannenden Bearbeitung großer Flächen entwickelt werden. Als weitere Technologie soll die Pulsweitenmodulation des Ionenstrahls zur sockelabtragsfreien Bearbeitung sowie für die Teilflächenbearbeitung für die industrielle Anwendung qualifiziert werden.

Plasmaquellen, Ionenquellen und Komponentenentwicklung

Die Langzeit-Betriebsstabilität der Strahlquellen und die Skalierbarkeit der Werkzeugfunktion in einem großen Dynamikbereich ist unmittelbare Voraussetzung für die erfolgreiche Ultrapräzisionsbearbeitung von Oberflächen. Die bestehenden Quellen sollen derart qualifiziert werden, dass zum einen die Skalierbarkeit gegeben ist, und sie zum anderen einer Verwertung durch die beteiligten Spezialmaschinenbau-Unternehmen zugeführt werden können. Da sich die industriellen Anfor­derungen an Strahlquellen von denen im Laborbetrieb unterscheiden, müssen in Bezug auf Reproduzierbarkeit und Modularität des Aufbaus signifikante konstruktive Modifizierungen und Optimierungen vorgenommen werden.  

Prozesssimulation und Messtechnik

Die Ultrapräzisions-Oberflächenmesstechnik als Voraussetzung von Bearbeitungsprozessen und ihrer Simulation ist stetig weiterzuentwickeln und zu optimieren. Insbesondere sind Messstrategien, -verfahren und -prozeduren auf den verfügbaren optischen und taktilen Profilern und Interferometern an industrierelevanten Optiken zu entwickeln, um bestmögliche Messergebnisse zu erzielen. Außerdem sind Algorithmen zur Prozesssimulation weiter zu verbessern, um die Potentiale der Technologien vollständig auszunutzen.

Grundlagen der Plasmajet- und Ionenstrahltechnologien

Inhalt dieses Schwerpunktes ist die Entwicklung eines neuen Plasmajet-Verfahrens auf Grundlage der Chlorchemie für die Bearbeitung von Aluminium, Al2O3, Saphir und weiteren Metallen. Weiterhin werden Untersuchungen zur Gasströmung in und an Plasmajetquellen durchgeführt und auf deren Basis theoretische Modelle zur Strömungsmechanik erstellt, um den Quellenaufbau zu optimieren. Im Bereich Ionenstrahltechnologie soll ein neuartiges Verfahren zur direkten Metallbearbeitung untersucht werden.

 

Die Partner

Das Projekt wird von der im Juli 2014 eingerichteten Stiftungsprofessur für Ultrapräzisionsbearbeitung von Oberflächen mit Ionen und Plasmen an der Technischen Universität Dresden geleitet. Die Partner bilden ein verwertungsorientiertes Netzwerk aus Forschungseinrichtung (IOM), Technischer Universität Dresden sowie regionalen und überregionalen Hochtechnologieunternehmen aus Maschinenbau- und Optikbranche.

  • JENOPTIK Optical Systems GmbH, Jena
  • Carl Zeiss Jena GmbH, Jena
  • NTGL-Nano Technologie Leipzig GmbH, Leipzig
  • IOT- Innovative Oberflächentechnologien GmbH, Leipzig
  • AKT- Angewandte Kommunikationstechnik GmbH, Beucha

 

Kontakt

Prof. Dr. Thomas Arnold
Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung e.V.
Permoserstraße 15
04318 Leipzig
Tel.: 0341 235-3120
Fax: 0341 235-2595
E-Mail: thomas.arnold[at]iom-leipzig.de


Berichterstattung aus dem "Blickpunkt" finden Sie hier.


Nähere Informationen zum vorangegangenen InnoProfile-Projekt "Ultrapräzisionsbearbeitung mit atomaren Teilchenstrahlen" finden Sie hier.