Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS
SEM-Abbildungen der Oberfläche und des mittels FIB präparierten Querschnitts typischer Defektbilder auf Laserspiegeln.
Analyse von Beschichtungen für Laserspiegel
Das Geschäftsfeld »Optische Materialien« am Fraunhofer IMWS bietet maßgeschneiderte Lösungen für die Charakterisierung und Fehleranalyse von optischen Beschichtungssystemen. So stehen beispielsweise modernste Methoden für die Untersuchung von (beschädigten) Laserspiegeln zur Verfügung.
Ein im Lebensdauertest (LIDT) beschädigter Laserspiegel wurde mit vielfältigen Methoden untersucht.
Versagensmechanismus in einem IBS Laserspiegel: das prozessbedingt eingebaute Edelgas (Ar) agglomeriert durch den Energieeintrag der Laserbestrahlung, was zu Blasenbildung im Schichtsystem und letztendlich zur Delamination führt, wodurch der Spiegel zerstört wird.
Unsere hochauflösenden Dünnschichtanalytik-Methoden ermöglichen eine präzise Analyse der Mikrostruktur und chemischen Zusammensetzung von Materialien. Zu den eingesetzten Techniken gehören:
- FIB-SEM (Focused Ion Beam & Scanning Electron Microscopy): Diese Methode erlaubt die detaillierte Bildgebung von Oberflächen und Querschnitten, um die Struktur der Schichtsysteme auf nanometrischer Ebene zu bestimmen und Defekte zu lokalisieren.
- HR-(S)TEM (High-Resolution Scanning Transmission Electron Microscopy): Hiermit können wir die Mikrostruktur und chemische Zusammensetzung von Materialien auf atomarer Ebene analysieren.
- ToF-SIMS (Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry): Diese Technik ermöglicht die Oberflächenanalyse und hochaufgelöste Tiefenprofilierung, um beispielsweise Verunreinigungen bis in den ppb-Bereichen zu identifizieren.
Diese Methoden ermöglichen eine umfassende Charakterisierung der Beschichtungssysteme und deren Eigenschaften. Ein Beispiel für unsere Expertise ist die Analyse der Beschichtung von Laserspiegeln. Um die Leistungsfähigkeit der Spiegel zu verbessern, konnten wir im Lebensdauertest (LIDT) beschädigte Laserspiegel einer umfassenden Rückverfolgbarkeit und Fehleranalyse unterziehen. Die Analyse umfasste:
- Bewertung der Schädigung durch gezielte Laser-Bestrahlung (ns-LIDT und fs-LIDT): Bewertung der Ursache für das Versagen der Beschichtungen
- Dünnschichtanalyse: Identifikation der ursprünglichen Beschichtungsstruktur und -zusammensetzung zur Prüfung des Abscheideprozesses auf Schichtdickengenauigkeit und Verunreinigungen
Die Ergebnisse dieser Analysen zeigen, wie unsere Methoden zur Identifizierung von Verunreinigungen und zur Bewertung der Oberflächen- und Grenzflächenrauheit beitragen. Ebenso lassen sich die Herkunft von Partikeln/Einschlüssen, die Kristallinität einzelner Schichten, die Schichtporosität und die Verteilung chemischer Elemente aufklären. Dies leistet wichtige Beiträge, um die Leistung und Langlebigkeit von Laserspiegeln in industriellen Anwendungen zu gewährleisten, etwa in optischen Geräten wie Mikroskopen, optischen Kommunikationssystemen zur Signalübertragung oder zur Nutzung in Lithografieprozessen in der Halbleiterindustrie.
(18. Dezember 2025)