Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST
Interface der Software MOCCA+® während des Beschichtungsprozesses.
Entwicklung eines vollautomatisierten Monitoringsystems MOCCA+® zur Kontrolle der Produktion optischer Beschichtungen mit Komponenten von OTF Studio
Herausforderung
Die Designs optischer Interferenzfilter bestehen oftmals aus einer großen Anzahl von Schichten. Mit mehreren hundert Einzelschichten müssen neben der Stabilität des Beschichtungsprozesses auch die Schichtdicken sehr präzise kontrolliert werden, um die Spezifikation hinsichtlich Transmission und Reflexion zu erreichen. Das optische Monitoring ist der Schlüssel zur benötigten Präzision bei der Kontrolle optischer Beschichtungen und erlaubt immer komplexere Schichtstapel für die Filter.
Lösung
Das System MOCCA+® (Modular Optical Coating Control Application)1, bestehend aus Hardware und Software wurde für die industrielle Anwendung in den vergangenen 15 Jahren entwickelt. Die Software überwacht alle Prozessschritte vom Fit der Transmissionsmessung zur Schichtdickenkontrolle über die Geräteeinstellungen für den Prozess bis hin zur Qualitätskontrolle am Ende einer Beschichtung. Ein Breitbandspektrometer (UV bis NIR) wird genutzt zur kontinuierlichen Transmissions- oder Reflexionsmessung auf dem Produkt oder einem speziellen Testglas. Mehrmals pro Sekunde wird durch die Algorithmen die verbleibende Prozesszeit bis zur Fertigstellung einer Schicht ermittelt. MOCCA+® kommuniziert direkt mit der speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) der Anlage und kontrolliert die Geräte der Beschichtungsanlage. Die grafische Benutzeroberfläche von MOCCA+® während eines Beschichtungsprozesses ist im ersten Bild unten gezeigt.
Mehrwert
Die Einbindung von taReo der Firma OTF Studio GmbH als ein zusätzlicher Baustein in die MOCCA+®-Software wurde erfolgreich realisiert. Die Demonstration der Einsatzfähigkeit wurde auf der EOSS® Beschichtungsanlage bei BTE (vgl. zweites Bild unten) während der laufenden Produktion durchgeführt. Die ersten Ergebnisse und Verbesserungen wurden auf der SVC Techcon in Washington D. C. im Mai 2023 präsentiert2. Weitere Entwicklung von taReo als auch MOCCA+® versprechen ein großes Potential zur Verringerung von Schichtdickenfehlern in komplexen optischen Interferenzfiltern.
1 S. Bruns et al., Improving optical thickness monitoring by including systematic and process-influenced transmittance deviations, In: Appl. Opt. 62, B141-B147 (2023), https://doi.org/10.1364/AO.475076
2 Abstract on »Extending the Potential of Optical Monitoring Software by Full Machine Control and Quality Assurance« (SVC TechCon 2023).
Einblicke ins Projekt
Die Projektpartner
Die Abteilung »Optische Systeme und Anwendungen« des Fraunhofer-Instituts für Schicht- und Oberflächentechnik IST, OTF Studio GmbH und die BTE GmbH arbeiten gemeinsam an der Entwicklung von vollständig automatisiertem Monitoring mittels MOCCA+® zur Kontrolle der Produktion optischer Schichten:
Das Fraunhofer IST bringt seine Expertise in der Entwicklung und Optimierung von Prozessketten für optische Beschichtungen auf Basis einer Vielzahl von Materialien und Schichtstapeln ein. Die optischen Interferenzfilter bestehen oftmals aus vielen Dutzend oder gar hunderten von Schichten. Dafür muss der Prozess sehr stabil gehalten werden. Die berechneten Schichtdicken müssen zur Realisierung von anspruchsvollen Spezifikationen hinsichtlich Transmission und Reflexion eines Produktes in jedem Fall sehr präzise abgeschieden werden.
Mit vielen verschiedenen Vakuumtechnologien modifizieren die Mitarbeiter der BTE GmbH die physikalischen Oberflächeniegenschaften von Glas, Plastik und Metall mit innovativen Schichtdesigns derart, dass das Verhalten hinsichtlich Reflexion, Transmission und Emission die Anforderungen in den Kundenanwendungen erfüllt. Dünne dielektrische und metallische Beschichtungen ermöglichen hochpräzise Anpassungen der optischen Oberflächeneigenschaften.
Die Mitarbeiter von OTF Studio haben viele Jahre Erfahrung in der Entwicklung von höchst anspruchsvollen Schichtdesigns, der Charakterisierung und für Software zur Prozesskontrolle. Eines der Softwareprodukte mit dem Namen taReo ist ein mächtiges Werkzeug, um die Produktion optischer Mehrschichtsysteme in Beschichtungsanlagen mit einem Breitbandmonitor zu unterstützen. Die taReo-Algorithmen sind hocheffizient und benötigen nur Bruchteile von Sekunden zur Charakterisierung und Reoptimierung einer Beschichtung auf Basis von In-situ-Messdaten.
Beschichtungsanlage EOSS® der BTE Bedampfungstechnik GmbH.
Schematische Darstellung einer mit BBM und taReo ausgestatteten Abscheidungsanlage.
Implementierung von taReo in einen vollautomatischen Abscheidungsprozess.