ULTRAHARD

IGF-Projekt: 263 EN  (2020 - 2022)

DIE HERAUSFORDERUNG

Ein transparenter Kratzschutz oder eine Kombination aus Kratzschutz und einer Antireflexbeschichtung (AR-) wird heute in vielen Industriezweigen eingesetzt: von der Uhrenindustrie über optische Instrumente und Sensorsysteme bis hin zur Medizintechnik. Der Kratzschutz bestimmt oft die Einsetzbarkeit und die Lebensdauer optischer Bauteile. Ist das Glas einer Armbanduhr oder die Linse eines optischen Messsystems zerkratzt oder durch Abrieb eingetrübt, ist eine weitere Nutzung oftmals nicht mehr möglich. Die existierenden Beschichtungslösungen für einen transparenten Kratzschutz stoßen jedoch an physikalische Grenzen. Die Nachfrage nach verbessertem Kratzschutz und damit längeren Produktlebensdauern steigt daher stetig.

DIE INNOVATIONSIDEE

Ziel des IGF-Projekts war die Entwicklung ultraharter transparenter Diamantschichten für optische Anwendungen. Hierfür sollten dünne (< 500 nm) und überaus glatte Diamantschichten auf verschiedenen Substraten (Quarzglas, Borosilikatglas, Floatglas, Saphir) aufgebracht werden. Für die Herstellung von AR-Schichtstapeln sollten zudem Diamantschichten mit exakt definierten Dicken in Mehrschichtsysteme aus niedrig- und mittelbrechenden konventionellen Schichten (Siliziumoxid und Siliziumnitrid) eingebettet werden. Um einen möglichst großen Nutzen solcher Schichtsysteme für optische Anwendungen zu erzielen, sollten sie eine hohe Transmission, eine geringe Absorption sowie möglichst keine Streuung und Reflektion aufweisen. Die erhöhte Kratzfestigkeit beziehungsweise die erhöhte mechanische Widerstandsfähigkeit gegenüber abrasiven Belastungen soll hierbei durch die hohe Härte und Verschleißfestigkeit von Diamant erreicht werden.

Um teilweise temperaturempfindliche Grundkörper auf Flächen von mindestens 100 mm x 100 mm mit hoher Homogenität und hohen Schichtwachstumsraten wirtschaftlich beschichten zu können, mussten die Substratvorbehandlung und die Prozessauslegung der beiden Beschichtungsverfahren HFCVD (Heißdraht-aktivierte Gasphasenabscheidung) und mikrowellenunterstützte PACVD (Plasma-aktivierte Gasphasenabscheidung) optimiert werden.

DIE ERGEBNISSE

In einem ersten Schritt wurde der HFCVD-Beschichtungsprozess so angepasst, dass die Beschichtungstemperatur auf ca. 680 °C gesenkt werden konnte, sodass neben Quarzglas und Saphir auch temperatursensitive Gläser wie Borosilikatglas erfolgreich beschichtet werden können. Mit dem PACVD-Beschichtungsprozess ist durch die niedrige Beschichtungstemperatur sogar die Beschichtung von Floatglas möglich. Zudem wurden verschiedene Strategien zur Substratreinigung und -bekeimung (z. B. Ultraschall-sprühbasiert) optimiert.

Mit den optimierten Prozessen wurden erfolgreich Demonstratoren mit Grundflächen bis 300 mm x 300 mm aus Borosilikat- oder Quarzglas mit einer transparenten, ultraharten Diamantschicht hergestellt. Unterschiedliche Schichtsysteme (z. B. Diamantschicht mit niedrigbrechender Siliziumoxid-Deckschicht) und AR-Schichtstapel aus vier Schichten (Siliziumnitrid – Siliziumoxid – Diamantschicht – Siliziumoxid) wurden erfolgreich vollständig mit dem HFCVD-Prozess aufgebracht. Untersuchungen der mechanischen und optischen Eigenschaften verschieden hergestellter Schichtsysteme lieferten teilweise sehr gute Ergebnisse:

Die auf Quarz- oder Boroslikatglas abgeschiedenen Diamantschichten und die Mehrschichtsysteme zeigen hohe Haftfestigkeiten, sodass keine Delaminationen nach der Beschichtung auftreten. Im Sandrieseltest wurden insbesondere bei Proben aus den kühleren HFCVD-Beschichtungsprozessen sehr gute Ergebnisse erzielt, bei denen lediglich vereinzelt Schichtschädigungen nach Aufprall von 3 kg Quarzsand auftreten. Die vergleichsweise weiche Siliziumoxid-Deckschicht stabilisiert das Gesamtsystem und setzt das Schädigungsmaß herab.

Bei reinen Diamantschichten erhöht sich die Transmission und sinkt die Absorption mit sinkender Beschichtungstemperatur. Das Aufbringen einer Siliziumoxid-Deckschicht auf Einzelschichten und Mehrschichtsysteme erhöht die Transmission zusätzlich. Die Absorption bleibt jedoch trotz allem zu hoch, sodass eine weitere Optimierung nötig ist, um Diamantschichten auch für optische Komponenten nutzbar zu machen.

KMU-NUTZEN

Zur Herstellung ultraresistenter, transparenter Oberflächen und hochharter AR-Schichtstapel können Diamantschichten auf verschiedene Glassubstrate aufgebracht oder in Mehrschichtsysteme integriert werden. Bei optischen Bauteilen müssen die Schichten entsprechend der anwendungsspezifischen Anforderungen der mittelständisch geprägten Photonikindustrie (z. B. sehr geringe Absorption) weiter angepasst werden. Dann können die hochharten, verschleißfesten und chemisch inerten Diamant-Dünnschichten beispielsweise auch als Medium mit hohem Brechungsindex eingesetzt werden. Wenn die optischen Eigenschaften zweitrangig sind, lassen sich die Schichten durch die erzielte Beständigkeit gegen mechanische Einwirkungen bereits jetzt für Anwendungen unter herausfordernden abrasiven Umgebungsbedingungen (z. B. Hitze, Sand, Korrosion) einsetzen. Die Möglichkeit, alternativ die HFCVD- oder die PACVD-Beschichtungstechnologie zu verwenden, um die den Diamantfilm umgebenden Schichten abzuscheiden, erhöht die Flexibilität der Unternehmen in Bezug auf die genutzte Beschichtungsanlage.

Laufzeit: 01.01.2020 - 31.03.2022