Ionenstrahl-Bearbeitung mit einer OMF-Anlage

Wie läuft der Bearbeitungsprozess im Einzelnen ab?

Zuerst wird das Werkstück intensiv gereinigt. Jedes verbleibende Schmutzteilchen würde das Bearbeitungsergebnis negativ beeinflussen. Nach diesen Vorbereitungen beginnt der eigentliche Bearbeitungsprozess mit der ersten interferometrischen Messung der Probe. Dabei wird die Oberfläche genau analysiert, ein Oberflächenprofil erstellt und präzise ermittelt, welche Flächen wie stark abgetragen werden müssen. Im Rahmen einer Simulation entsteht das Bewegungsprogramm für die Ionenquelle. Im Programm wird hinterlegt, welche Position wie schnell oder langsam mit dem Ionenstrahl überstrichen werden soll.

Der Prozess und die Ionenquelle sind stabil. Über längere Zeit können sich die Parameter jedoch ändern. Zur Bestimmung/Kontrolle der Ätzrate beziehungsweise der Quellenparameter sollte auf einer Probe gleichen Materials die Ätzrate bestimmt werden. Diese Ätzraten-Ermittlung ist für jeden Ionenstrahldurchmesser notwendig.

Nun beginnt die Ionenstrahl-Bearbeitung in der OMF-Anlage. Die Schleuse vor der Vakuumkammer wird belüftet und die Probe eingelegt. Danach wird die Schleuse evakuiert und die Probe kann in die Kammer eingeschleust werden. Bei der interferometrischen Messung wurde ermittelt, wie groß der zu korrigierende Fehler ist, z.B. auf der Oberfläche einer optischen Linse. Je nach Größe des Fehlers und damit des abzutragenden Materials wird nun der passende Strahldurchmesser gewählt. Den Strahldurchmesser der Ionenstrahlquelle passt man mit Hilfe von vorgesetzten Blenden oder dem Einsatz einer anderen Quelle an. Je kleiner die Fehler in der lateralen Auflösung, desto kleiner muss der Strahl werden. Man beginnt mit den langwelligen Fehlern, korrigiert diese mit dem großen Strahldurchmesser und arbeitet sich iterationsweise zu den kurzwelligen Fehlern mit kleinerem Ionenstrahl herunter.

Derzeit werden Ionenstrahlquellen mit Strahlprofilen von 40 mm; 20 mm oder 8 mm verwendet. Blenden gibt es derzeit für die 8 mm-Quelle, wobei da die Blenden beliebig sein können. Die Maße sind gestuft von etwa 0,5, eins, zwei, vier Millimeter etc. Geplant ist auch ein Blendenwechsler für die 20 mm-Quelle. Für größere Proben, bei denen mit einem Arbeitsgang eine größere Fläche überstrichen wird, sind auch Ionenquellen mit 40 mm Durchmesser möglich. Im ersten Durchlauf oder beim ersten Einsatz einer Blende wird die Ionenquelle einem Faradayscan zur Bestimmung der räumlichen Position des Strahls (Kalibrierung) unterzogen. Außerdem kann man dabei sehen, ob das Profil des Ionenstrahls Unregelmäßigkeiten aufweist. Rückschlüsse zur Ätzrate sind damit noch nicht möglich. Nun wird die Datei mit dem in der Simulation ermittelten Bewegungsprogramm (Verweilzeitdatei) geladen und der Bearbeitungsprozess kann beginnen. Nach Ende des Programms wird die Probe wieder ausgeschleust und die Schleuse belüftet.

Jetzt folgt wieder eine interferometrische Messung der Probe. Im anschließenden iterativen Prozess wird die Oberflächengüte von Durchlauf zu Durchlauf immer weiter gesteigert, bis die gewünschten Qualitätsanforderungen erreicht sind. Je feiner die Flächen bearbeitet werden müssen, umso kleiner werden auch die Blenden vor der Ionenquelle gewählt.

Bearbeiten ohne Zwischenmessungen

Bei der Simulation wird immer ein zu erwartendes Ergebnis ermittelt und dargestellt, zunächst also Theorie. Im Idealfall erreicht man dieses theoretische Ergebnis bis auf vernachlässigbare Abweichungen auch in der Praxis. Je besser die Maschine läuft und man den Prozess “im Griff hat”, desto weniger weicht man von der Theorie ab. Letztendlich kann man das Simulationergebnis nutzen und eine neue Simulation durchführen und damit den nächsten iterativen Schritt vornehmen. Die oben geschilderte Zwischenmessung fällt weg.

Blenden der Ionenquelle innerhalb der Vakuumkammer wechseln

System zum Wechseln der Blenden für die Ionenstrahlquelle

Um den Prozess weiter zu optimieren und die Bearbeitungsdauer zu verkürzen entwickelten die OPTEG-Ingenieure ein System zum Wechseln der Blenden für die Ionenquelle innerhalb der Vakuumkammer. Damit kann zum Beispiel von einer 8 mm-Blende auf die 4 mm-Blende gewechselt werden, ohne das Vakuum in der Kammer zu brechen.

Noch mehr Innovation – Ätzrate live

Mit einem von unserem Spezialistenteam entwickelten Live-Ätzraten-Gerät lässt sich die Ätzrate ermitteln, ohne wie oben beschrieben eine extra Probe gleichen Materials verarbeiten zu müssen. Man muss keine Dummyprobe einschleusen, bearbeiten, ausschleusen und messen, um die Ätzrate zu bestimmen. Das kann mit diesem innovativen Zusatzmodul alles innerhalb der Vakuumkammer passieren, vergleichbar mit einem Faraday-Scan. Das verkürzt deutlich die Vorbereitungszeit.

Hier ist der Prozess des Ionenstrahl-Ätzens in einem 3 min-Video dargestellt