Der Wasserhintergrunddruck in der Prozesskammer, ein bislang wenig beachteter Einflussfaktor bei der ultra-präzisen Bearbeitung optischer Oberflächen, wurde von Forschenden der Arbeitsgruppe "Ionenstrahlunterstützte Strukturierung und Glättung" und der Querschnittseinheit „Materialcharakterisierung und Analytik“ am IOM untersucht. Diese Studie liefert wichtige Erkenntnisse für die ultra-präzise Fertigung optischer Komponenten.
Reaktives Ionenstrahlätzen (Reactive Ion Beam Etching, RIBE) ist eine Schlüsseltechnologie für die ultra-präzise Strukturierung optischer Materialien wie Siliziumdioxid (SiO₂) und Silizium (Si). Die vorliegenden Ergebnisse der Studie zeigen, dass bereits geringe Mengen an Restwasser im Hintergrunddruck der Prozesskammer die Zusammensetzung des Ionenstrahls sowie die durch den Ionenstrahl modifizierte Oberflächenschicht signifikant beeinflussen, mit direkten Auswirkungen auf den Ätzprozess und die Materialselektivität.
Die Wechselwirkung zwischen dem reaktiven Ionenstrahl und den Oberflächen wurde mittels energie-selektiver Massenspektrometrie (ESMS), Sekundärionen-Massenspektrometrie (ToF-SIMS) und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) untersucht. Die Messergebnisse zeigen die Bildung einer stabilen sauerstoffhaltigen Kohlenwasserstoffschicht sowie einer Si(OF)-Schicht, deren Dicke und Zusammensetzung vom Wasserhintergrunddruck abhängen. Dies hat einen direkten Einfluss auf die Ätzeffizienz und stellt eine Herausforderung für die Prozessstabilität in industriellen Anwendungen dar.
Diese Erkenntnisse sind insbesondere für die Herstellung großflächiger optischer Elemente relevant, bei denen ein Substratwechsel in der Regel mit einer Belüftung der Prozesskammer – und damit dem Eintrag von atmosphärischem Wasser in die Kammer - einhergeht. Die Studie unterstreicht, dass eine genaue Kontrolle des Wasserhintergrunddrucks von entscheidender Bedeutung ist, um reproduzierbare Ätzraten und einen exakten Strukturtransfer zu gewährleisten.
Die Forschungsergebnisse tragen auch dazu bei, bestehende Ätzverfahren zu optimieren und neue Strategien zur Erhöhung der Reproduzierbarkeit zu entwickeln und leisten damit einen wichtigen Beitrag zur Weiterentwicklung von Ultra-Präzisionsoptiken.
Die Ergebnisse der Untersuchungen wurden kürzlich in der folgenden Publikation veröffentlicht:
Peter Birtel, Erik Rohkamm, Jens Bauer, Frost Frank
Influence of water background pressure on removal rates of SiO2, Si and photo resist in reactive ion beam etching
Surfaces and Interfaces, Vol. 64, p. 106306 (2025)
https://doi.org/10.1016/j.surfin.2025.106306