Melanie Ulitschka, Jens Bauer, Frank Frost, Thomas Arnold
J. Eur. Opt. Soc.-Rapid Publ. 17,1 (2021)
https://doi.org/10.1186/s41476-020-00143-6

Ionenstrahl-Endbearbeitungsverfahren von Aluminiumspiegeln haben ein hohes Potenzial, um die steigenden Anforderungen an Anwendungen von Hochleistungsspiegelelementen für den sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich zu erfüllen. Die reaktive Ionenstrahlbearbeitung unter Verwendung von Sauerstoff- bzw. Stickstoffgas ermöglicht die direkte Formfehlerkorrektur bis zu 1 μm Bearbeitungstiefe unter Beibehaltung der Ausgangsrauheit. Allerdings schränken die periodischen Drehmarkenstrukturen, die aus der Vorbearbeitung durch Einkorn-Diamantdrehen resultieren, die Anwendbarkeit von Spiegelflächen im kurzperiodischen Spektralbereich oft ein. Die Ionenstrahlplanarisierung mit Hilfe einer Opferschicht bietet eine vielversprechende Prozessgestaltung zur Oberflächenglättung, die zu einer erfolgreichen Reduzierung der Drehmarkenstrukturen führt. Eine Kombination mit der direkten Oberflächenglättung zur nachträglichen Verbesserung der Mikrorauhigkeit wird unter besonderer Berücksichtigung der Rauheitsentwicklung, der chemischen Zusammensetzung und der optischen Oberflächeneigenschaften vorgestellt. Als Ergebnis wird eine ionenstrahlbasierte Prozessführung vorgeschlagen, die eine annähernde Wiederherstellung der Reflexionseigenschaften und eine erhöhte Langzeitstabilität von geglätteten Aluminiumoberflächen ermöglicht.

Jens Bauer, Frank Frost
Surf Interface Anal. 52, 1071– 1076 (2020)
https://doi.org/10.1002/sia.6764

Regelmäßige nanoskopische Riffel- und Punktmuster wurden auf polykristallinen Titanproben durch Bestrahlung mit 1,5 keV Argon-Ionen unter normalem Einfall hergestellt. Die Morphologie der Nanostrukturen wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie untersucht. Die Rippelstrukturen weisen ein sägezahnförmiges Querschnittsprofil auf. Zur Analyse der lokalen Kornstruktur wurden Elektronenrückstreuungsbeugungsexperimente durchgeführt. Die Studie deutet auf eine Korrelation der Morphologie der Nanostrukturen mit der kristallographischen Orientierung der Titanoberfläche hin.

Jens Bauer, Frank Frost, Antje Lehmann, Melanie Ulitschka, Yaguo Li, Thomas Arnold 
Opt. Eng. 58 (9), 092612 (2019)
https://doi.org/10.1117/1.OE.58.9.092612

Ultrapräzise Spiegelelemente weisen ein hohes Potenzial im Hinblick auf Anwendungen im sichtbaren und im ultravioletten Spektralbereich auf. Aluminiumlegierungen vereinen gute mechanische und exzellente optische Eigenschaften und zählen somit zu bevorzugten Konstruktionsmaterialien für Spiegel. Allerdings ist die Ultrapräzisionsbearbeitung und das Polieren von optischen Aluminiumoberflächen eine Herausforderung, die aus der hohen chemischen Reaktivität und der heterogenen Matrixstruktur resultiert. In jüngster Zeit wurden mehrere ionenstrahlbasierte Verfahren entwickelt, um Aluminiumspiegel für Anwendungen im kurzwelligen Bereich zu qualifizieren. Wir geben einen Überblick über den Stand der Technik der Ionenstrahl-Bearbeitungstechniken zur Formfehlerkorrektur und Planarisierung, entweder durch direkte Aluminiumbearbeitung oder mit Hilfe von amorphen Opferschichten.

Jens Bauer, Frank Frost, Thomas Arnold
Reactive ion beam figuring of optical aluminium surfaces
J. Phys. D: Appl. Phys. 50, 085101 (2017)
https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/8/085101

Ultraglatte und komplex geformte Spiegeloptiken sind für weitere Fortschritte in der EUV/XUV-Lithographie, Röntgen- und Synchrotrontechnik notwendig. Als eines der wichtigsten technologischen Spiegeloptik-Materialien verhält sich Aluminium bei Ultrapräzisionsbearbeitungtechniken wie dem Diamantdrehen und dem anschließenden Ionenstrahl-Figurieren (IBF) eher schwierig. Insbesondere bei letzterem wird eine starke Aufrauhung der Oberfläche beobachtet. Daher war es bisher nicht möglich, die für Anwendungen im UV- oder nur sichtbaren Spektralbereich erforderlichen Oberflächenqualitäten zu erreichen. Um die hauptsächlich durch die strukturellen und kompositorischen Bedingungen der Aluminiumlegierung verursachten Einschränkungen zu überwinden, wird ein reaktives Ionenstrahl-Bearbeitungsverfahren unter Verwendung von Sauerstoff-Prozessgas evaluiert. Um die prinzipiellen Unterschiede in der Wirkung von Sauerstoffgas im Gegensatz zu Sauerstoffionen auf die Aluminiumoberflächenbearbeitung zu klären, werden zunächst phänomenologisch Experimente zum chemisch unterstützten Ionenstrahlätzen (CAIBE) und zum reaktiven Ionenstrahlätzen (RIBE) durchgeführt. Dann wird die optimale Prozessführung im Rahmen einer Rauheitsanalyse unter Anwendung des Konzepts der spektralen Leistungsdichtefunktion (PSD) für eine differenzierte Behandlung der Oberflächentopographie erforscht. Schließlich wird die Oberflächenzusammensetzung mittels dynamischer Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) untersucht. Die Messungen legen ein charakteristisches Modell über eine chemische Modifikation der Aluminiumoberfläche während der Sauerstoffionenstrahl-Bearbeitung nahe. Um eine detailliertere Prozessvorstellung zu erhalten, wurden Monte-Carlo-Simulationen eingesetzt.