Lebensdauer von über einer Milliarde Laserpulsen erzielt

BMBF-Verbundprojekt FLUX gibt erfolgreiches Abschlussergebnis bekannt: International führende Marktposition bei Laserkomponenten im UV-Bereich gesichert.

30.03.2010 Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat im Rahmen einer Bekanntmachung zum Thema “Innovative Anwendungen extrem ultravioletter Strahlung (XUV)“ 7 industrielle Verbundprojekte gefördert. Das größte von ihnen war „FLUX - Fluoridische Laserkomponenten für den UV-X-Spektralbereich“.  Am 10. März 2010 hat nun im Laser Zentrum Hannover die öffentliche Abschlusspräsentation des Forschungsverbunds statt gefunden.

Bei dem Thema „Fluoridische Laserkomponenten für den UV-X-Spektralbereich“ denkt man zunächst an die Halbleiterlithographie, die mit Excimerlasern bei der Wellenlänge 193 nm betrieben wird und extrem hohe Lebensdauern für die eingesetzten Optikkomponenten fordert. Tatsächlich hat UV-Laserstrahlung heutzutage bereits ein wesentlich breiteres Spektrum innovativer Anwendungen in der Medizin, der Mikromaterialbearbeitung oder der Messtechnik erobert, deren Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit auch empfindlich durch die Lebensdauer der eingesetzten Optiken begrenzt wird. Im Vergleich zur Lithographie müssen hier Laserpulse mit weitaus höheren Energiedichten - deutlich oberhalb von 50 mJ/cm² - von den Optiken übertragen werden. Im Anwendungsfeld zeigte sich sehr schnell, dass die üblichen Optikkomponenten schon bei Pulsanzahlhorizonten von wenigen 10 Millionen Schuss versagen, und so relativ kurze Wartungsintervalle mit beträchtlichen Kosten für die Systeme anfallen. Ein wirklich konkurrenzfähiger und wirtschaftlicher Betrieb der Systeme ist erst gewährleistet, wenn der Austausch der Optikkomponenten nicht viel häufiger als der Wechsel anderer Verschleißteile - wie zum Beispiel der Excimer-Laserröhre selbst - notwendig wäre. Unter diesen Randbedingungen ist eine Lebensdauer von mehr als eine Milliarde Laserpulsen für die Optikkomponenten ein erstrebenswertes Ziel. Dieser Herausforderung hat sich ein interdisziplinäres Konsortium aus 8 - zumeist kleinen – Industrieunternehmen und 3 Forschungsinstituten gestellt. Begleitet werden die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten von 4 weiteren assoziierten industriellen Partnern. Als Projektträger hat das BMBF die VDI-Technologiezentrum GmbH in Düsseldorf beauftragt.

Gleich zu Projektbeginn im Jahre 2006 wurde eine klare Arbeitsteilung zwischen den Partnern in Arbeitsgruppen etabliert, um eine zielgerichtete Forschungsstrategie des recht umfangreichen Verbunds zu gewährleisten. Die Arbeitsgruppen konzentrierten sich auf die wesentlichen Teilzielsetzungen zur Verbesserung der eingesetzten Grundmaterialien und Substrate, zur Optimierung neuer Herstellungskonzepte für die optischen Funktionsschichten sowie zu einer angemessenen Analytik, die umfangreiche Marathontests für die Bestimmung der Lebensdauer und die Untersuchung von Absorption und Laserfestigkeit von im Verbund realisierten Komponenten umfasste. In den vergangenen vier Jahren intensiver Forschungsarbeit konnte das Hauptziel, eine Lebensdauer von 1.000.000.000 Pulsen, auch bei hohen Energiedichten im DUV-Bereich sicher erreicht werden. Ganz nebenbei ergaben sich aber noch viele weitere Innovationen, die den Mehrwert des Vorhabens unterstreichen. So ist es beispielsweise gelungen, Ionenprozesse mit Fluor als Reaktivgaskomponente erstmals für die industrielle Fertigung fluoridischer optischer Funktionsschichten zu qualifizieren und das bisher von fernöstlichen Optikunternehmen vorgegebene Qualitätsniveau zu überflügeln. Darüber hinaus konnten mit den praxisnahen Lebensdauertests bei den Laser- und System-Herstellern im Verbund neue Erfahrungen gesammelt werden, die eine deutliche Erhöhung der Zuverlässigkeit der Systeme im Feld ermöglichen. Nicht zuletzt soll auch der enorme Erkenntnisgewinn zu den Grundlagen genannt werden, der erstmals ein tieferes Verständnis der Degradationsmechanismen in dem eingesetzten Substratmaterial CaF₂ und den Schichten, sowie der Vorgänge bei der Beschichtung der Optiken unter dem Einfluss von Fluor umfasst. Insgesamt hat das Projekt auch in der wirtschaftlichen Umsetzung einen erheblichen Effekt bei den beteiligten Industrieunternehmen mit sich gebracht. Der Fortschritt bei den Standzeiten der Optiken kann direkt in den Produkten vermarktet werden und trägt so zu der Sicherung einer führenden internationalen Marktposition bei. Die Innovationen im Bereich der Beschichtungsverfahren werden direkt für den Anlagenbau genutzt und bilden einen wichtigen Ausgangspunkt für den weiteren Ausbau der Marktposition der Optikbeschichter im Verbund.

Nach dem erfolgreichen Ausgang des Verbunds FLUX, der jüngst in Hannover dokumentiert wurde, richtet sich der Blick in die Zukunft. Die Ergebnisse des Verbunds sind eine hervorragende Ausgangsposition für die weiteren Herausforderungen an die optische Komponentenfertigung. Neue ehrgeizige Ziele zeichnen sich im Rahmen der Strategiediskussion „Photonik 2020“ bereits klar ab und betreffen nicht nur den weiteren Fortschritt in der Excimerlaser-Technologie. Vielmehr ist durch die nachhaltige Entwicklung von Festkörperlasersystemen mit Frequenzvervielfachung und auch sehr kurzen Pulsdauern ein neues Feld erwachsen, das die Entwicklung optischer Laserkomponenten vor neue Aufgaben stellt. Forschungsschwerpunkte für die Zukunft sind auch Schichtsysteme für extrem kurze Lichtpulse (10^-18 s), für extrem hohe Laserleistungen (> 100 kW) und für extrem kurzwellige kohärente Röntgenstrahlung. Schließlich muss atomar gesteuertes Schichtwachstum auf großen Freiformflächen beherrscht werden, und das auch mit organischen Materialien.


Beteiligte Firmen und Institute im Verbund FLUX

• Coherent GmbH, Göttingen
• Carl Zeiss Semiconductor Manufacturing Technologies AG, Oberkochen
• Jenoptik Laser Optik Systeme GmbH, Jena
• Korth Kristalle GmbH, Altenholz (Kiel)
• Layertec optische Beschichtungen GmbH, Mellingen
• Leybold Optics GmbH, Alzenau
• WaveLight Laser Technologie AG, Erlangen
• 3D-MicroMac AG, Chemnitz
• Fraunhofer-Institut für angewandte Optik und Feinmechanik (FhG-IOF), Jena
• Laser Zentrum Hannover e.V., Hannover
• Institut für Photonische Technologien (IPHT), Jena

Assoziierte (industrielle) Partner

• Berliner Glas KGaA, Berlin
• Ionen- und Plasmatechnik GmbH, Kleinwallstadt
• Laseroptik GmbH, Garbsen
• Merck KGaA, Gernsheim