Ionenstrahlbearbeitung für optische Linsen und andere Präzisionsteile

Ionenstrahl-Bearbeitung  oder Ion Beam Figuring (IBF) ist eine High-End-Methode, um Fehler auf einer optischen Oberfläche zu korrigieren. Diese Art der Bearbeitung wird auch „corrective polishing“ genannt. Es werden Tiefengenauigkeiten im Nanometer- und Ortsauflösungen im Millimeterbereich erreicht. Andere Methoden sind „small tool polishing“ (SMT), Wasserstrahl-Polieren, Magneto-Rheological Figuring (MRF) und andere. Manchmal werden diese Methoden auch unter “Finishing” statt “Figuring” geführt, weil sie in der Regel den letzten Schritt der Korrektur der Form einer optischen Oberfläche darstellen. Aufgrund der sehr hohen erreichbaren Genauigkeit, ist die Ionenstrahl-Bearbeitung (IBF) sehr gut als letzter Bearbeitungsschritt anwendbar. Danach schließen sich, je nach Produkt und Technologie, beispielsweise noch Prozesse der Beschichtung von optischen Oberflächen an.

Berührungsloses Verfahren für hochwertige optische Oberflächen

Das IBF-Verfahren ist berührungslos, was es für die optische Fertigung sehr vorteilhaft macht. Für den Abtrag winzigster Teilchen auf der Werkstückoberfläche sorgen beschleunigte Argon-Atome. Die Intensität des Abtragens wird über die Verweilzeit an der betreffenden Stelle des Werkstücks gesteuert. Fehler während der Bearbeitung haben dadurch viel weniger Einfluss auf die resultierende Oberfläche. Bei den meisten Materialien bleibt der Rauwert der Oberfläche unverändert. In einigen Fällen verbessert er sich sogar, zum Beispiel bei der Ionenstrahl-Bearbeitung von Quarzglas und Silicium. Ein weiterer Vorteil von IBF ist, dass Werkstücke auch über den Rand hinaus bearbeitet werden können (zum Beispiel optische Linsen oder Spiegel). Damit erhöht sich die freie Apertur. Neu entstehende Beschädigungen der Oberfläche durch die Bearbeitung sind ausgeschlossen.

Ionenquelle

Beschleunigte Ionen glätten die Oberfläche

Die optische Oberfläche wird über einen rein physikalischen Prozess bearbeitet. Es findet (beim Standard-IBF in einer Ionenstrahlätzanlage) keine chemische Reaktion statt. Eine Ionenquelle erzeugt einen Strahl von stark beschleunigten Ionen. Die beschleunigten Ionen werden mit Hilfe eines glühenden Wolframdrahts wieder neutralisiert, um eine elektrische Aufladung der Probe zu verhindern. Der Strahl trifft mit ausreichender kinetischer Energie (etwa 1 keV) auf die Probe und überträgt seine Energie dabei an die Atome auf der Oberfläche. Die Atome können ihre Bindung nicht mehr halten und gehen in die Gasphase über. Man könnte auch sagen, sie werden zerstäubt, was zum englischen Begriff sputtering führt. Man nennt diesen Prozess auch “Trockenätzen”. Typischerweise wird Argon als Ionenquelle eingesetzt.

Was kann mit Ionenstrahlätzanlagen bearbeitet werden?

Jedes Material, was vakuum-kompatibel ist, kann auch mit Ionenstrahlen bearbeitet werden. Für weiche Materialien wird eine niedrigere Abtragungsrate (sputter yield) angewendet.  Auch Spezialgläser aus Salzen wie Natriumchlorid, die sich bei den “Nassverfahren” wie MRF- oder Fluid-Jet-Polieren schlicht auflösen würden, eignen sich für die Ionenstrahl-Bearbeitung. Die Ionenstrahlätzanlagen der LEYBOLD OPTICS IBF-Reihe wurden bisher auf Werkstücke mit Durchmessen von 5 mm bis 2,10 m ausgelegt. Auch größere oder kleinere Durchmesser sind möglich. Der Kunde formuliert eine Aufgabe, die er technisch gelöst haben will. Wir entwickeln die Anlage dafür.