Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Ultraharte optische Diamantschichten

Transparente optische Gläser mit hohem Kratzschutz werden heute in vielen Branchen benötigt: von der Uhrenindustrie über optische Instrumente und Sensorsysteme bis hin zur Medizintechnik. Die genannten Branchen stehen unter dem Druck kontinuierlicher Produktverbesserung. Bestehende Lösungen für einen transparenten Kratzschutz stoßen an ihre Grenzen, es besteht Bedarf nach optimierten Systemen für höhere Lebensdauern, kratzfreie Oberflächen und zusätzlich antireflektierenden Eigenschaften. Antireflexionsschichten (AR-Schichten) werden typischerweise durch eine Kombination von hoch- und niedrigbrechenden Schichten erreicht. Heutige keramische Hartbeschichtungen zeigen jedoch starken Verschleiß und eine optische Trübung bei mechanischer Belastung.

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer ultraharten optischen Diamantschicht mit extremer Kratzfestigkeit für AR-Anwendungen. Dies soll durch ein Mehrschichtsystem aus einer Diamantschicht und niedrig- oder mittelbrechenden Schichten erreicht werden. Die Neuheit des hier zu untersuchenden Schichtsystems ist die Abscheidung von sehr dünnen und äußerst glatten Diamantschichten mit geringsten Absorptionskoeffizienten. Die Beschichtungsprozesse müssen so entwickelt werden, dass sehr homogene Schichten mit hohen Schichtwachstumsraten möglich werden. Es werden sowohl die HFCVD- (IST) als auch die PACVD-Beschichtungstechnologie untersucht (UHass). Die neue transparente und ultraharte Diamantschicht, die im AR-Schichtsystem enthalten ist, wird zu abriebfesten Oberflächen führen. Sie stellt eine erhebliche Produktinnovation dar, die die Standorte Deutschland und Belgien für die mittelständisch geprägten Branchen der Photonik-Industrie nachhaltig stärken wird.

Ergebniszusammenfassung:

Im Projekt wurden ultraharte Diamantschichten erarbeitet und untersucht, die sich aufgrund ihrer hohen Härte und

Verschleißbeständigkeit in Verbindung mit ihren optischen Eigenschaften wie Transmission und Absorption für die

Anwendung in optischen Bauteilen und Komponenten eignen. Die Erforschung der Thematik umfasste hierbei die

Abscheidung ultraharter, dünner Diamantschichten auf verschiedenen Glassubstraten, die Modellierung und Abscheidung von Multilagenschichten und AR Stacks sowie deren detaillierte Analyse und Charakterisierung. Es konnte gezeigt werden, dass durch einen angepassten HFCVD-Diamantbeschichtungsprozess mit niedrigeren Temperaturen auch temperatursensitive Gläser wie Borosilikatglas erfolgreich beschichtet werden können. Die auf Quarz und Boroslikatglas abgeschiedenen Diamantschichten, Zwei-Schichtsysteme und kompletten AR Stacks zeigten hohe Haftfestigkeiten. Es traten keine Delaminationen nach der Beschichtung auf. Im Sandrieseltest konnten insbesondere für die Proben aus den kühleren HFCVD-Diamantprozessen sehr gute Ergebnisse erreicht werden, es traten lediglich vereinzelt Schichtschädigungen nach dem Impact von 3 kg Quarzsand auf. Der vergleichsweise weiche Toplayer (SiO2:H) stabilisiert das Gesamtsystem ausreichend und setzt das Schädigungsmaß herab. Insgesamt wurden sehr vielversprechende Multilayer-Systeme mit einer

integrierten Diamantschicht im Projekt aufgebaut. Die mechanischen Eigenschaften sind bereits jetzt für den Einsatz in optischen Komponenten mit hohem Bedarf an Verschleißschutz überzeugend. Die optischen Eigenschaften sind ebenfalls bereits vielversprechend, aber speziell die Absorption muss in weiterführenden Forschungen / Entwicklungen noch verbessert werden.