Bei der Auswahl der Beschichtung für CVD-Zinksulfid-Kugelschirme lautet die zentrale Antwort: eine zweischichtige DLC/BP-Struktur (diamantähnlicher Kohlenstoff/Borphosphid) oder eine mehrschichtige a-D/a-Ge₁₋ₓCₓ:H-Struktur (amorpher Diamant/amorphes Germaniumhydrid-Kohlenstoff). Erstere ermöglicht im Wellenlängenbereich von 8–12 μm eine durchschnittliche Durchlässigkeit der Zinksulfid-Kuppel von etwa 87,9 % und erhöht die Nanohärte von 2,5 GPa des Substrats auf 19,5 GPa; bei der zweiten Variante wird mittels der Filter-Kathoden-Vakuumbogen-Technologie eine amorphe Diamantschicht abgeschieden, wobei eine Germanium-Kohlenstoff-Zwischenschicht zur Lösung von Haftungsproblemen eingesetzt wird.

I. Anforderungen an die Beschichtung von Zinksulfid-Kugelschirmen: Warum ist eine Beschichtung erforderlich?

CVD-beschichtete Zinksulfid-Kugelschirme sind das Material der Wahl für Kugelschirme und Fenster im langwelligen Infrarotbereich (LWIR, 8–12 μm), da sie sowohl eine gute Infrarotdurchlässigkeit als auch eine höhere mechanische Festigkeit als Zinkselenid aufweisen. Die unbehandelte Zinksulfid-Oberfläche weist jedoch zwei entscheidende Nachteile auf: hohe Reflexionsverluste (einseitig ca. 24,7 %, beidseitig fast 50 %) und unzureichende Beständigkeit gegen Regen- und Sandabrieb. Bei Raketen oder luftgestützten optoelektronischen Sensorkuppeln, die starken Luftströmungen ausgesetzt sind, verschleißt die unbeschichtete Zinksulfid-Oberfläche durch den Aufprall von Regentropfen schnell, was unmittelbar zu einer Verschlechterung der Infrarot-Bildqualität führt.

Daher muss eine ideale Beschichtung zwei Funktionen gleichzeitig erfüllen: Reflexionsminderung (Verbesserung der Durchlässigkeit) und harten Schutz (Abwehr gegen Umwelteinflüsse). Diese beiden Ziele stehen bei der Materialauswahl oft im Widerspruch zueinander – Materialien mit hoher Härte weisen in der Regel auch einen hohen Brechungsindex auf, was als reine Deckschicht die Reflexion verstärkt; daher ist eine mehrschichtige Struktur unvermeidlich.

II. Zwei gängige Beschichtungsansätze und ihre Parameter

Ansatz 1: Zweischichtige Schutz- und Antireflexbeschichtung aus DLC/BP
Dies ist die klassischste „außen hart, innen weich“-Struktur für Zinksulfid-Substrate. Die äußere Schicht besteht aus einer Kombination aus diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC) und Borphosphid (BP), während auf der gegenüberliegenden Seite des Substrats eine YbF₃/ZnS-Antireflexschicht aufgebracht wird.
Wichtige Parameter: Im Wellenlängenbereich von 8–12 μm erreicht die maximale Durchlässigkeit nach beidseitiger Beschichtung etwa 93,3 %, die durchschnittliche Durchlässigkeit liegt bei 87,9 %. Noch deutlicher ist die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften: Durch die DLC/BP-Beschichtung stieg die Nanohärte der Zinksulfid-Probe von 2,5 GPa des Substrats auf 19,5 GPa – eine fast achtfache Steigerung. Das Beschichtungssystem hat die Tests zur Simulation rauer Umgebungsbedingungen gemäß der Norm MIL-48616 bestanden und damit seine technische Zuverlässigkeit unter Beweis gestellt.
Der hohe Brechungsindex von BP (ca. 3) bedeutet, dass es allein nicht als Antireflexschicht eingesetzt werden kann (minimale Reflexion bei einer einzelnen Schicht ca. 15 %), doch in Kombination mit dem DLC mit niedrigem Brechungsindex werden durch den Mehrschicht-Interferenzeffekt hervorragende Antireflexeigenschaften erzielt. Die Raffinesse dieses Designs liegt in der „Doppelfunktion eines Materials“: BP liefert das Härtegestell, während DLC die optische Anpassung regelt.

Lösung 2: a-D/a-Ge₁₋ₓCₓ:H-Mehrschichtsystem
Bei dieser Lösung dient amorphes Diamant (a-D) als harte Außenschicht, während die Zwischenlage aus amorphem hydriertem Germaniumkarbon (a-Ge₁₋ₓCₓ:H) das Problem der schlechten Haftung zwischen a-D und ZnS löst.
a-D wird mittels der Filter-Kathoden-Vakuumbogen-Technologie (FCVA) bei Raumtemperatur abgeschieden; seine Härte entspricht in etwa der von Diamant, während die Oberflächenglätte besser ist als bei polykristallinen Diamantschichten, was sich für die gleichmäßige Beschichtung von optischen Elementen mit großem Durchmesser eignet. Die a-Ge₁₋ₓCₓ:H-Schicht wird mittels HF-Sputtern hergestellt; ihr Brechungsindex lässt sich durch Veränderung des Gasdurchflussverhältnisses über einen weiten Bereich einstellen, wodurch das doppelte Ziel der optischen Anpassung und der Verbesserung der Haftfestigkeit erreicht wird.
Der Vorteil dieses Ansatzes liegt in der Prozesskompatibilität: Sowohl FCVA als auch HF-Sputtern sind Niedertemperaturverfahren, die keine thermischen Schäden am Zinksulfid-Substrat verursachen.

III. Weitere Alternativen und Einschränkungen

Die vierschichtige Antireflexbeschichtung aus Germanium/Zinksulfid wird mittels PVD-Technologie aufgebracht und erreicht nach beidseitiger Beschichtung im Wellenlängenbereich von 8–12 μm eine durchschnittliche Durchlässigkeit von bis zu 96 %; gleichzeitig wird die Härte durch eine Schutzschicht aus Y₂O₃/Kohlenstoff erhöht. Allerdings ist die Schutzwirkung dieses Ansatzes geringer als die des DLC-Systems, weshalb er sich eher für Anwendungen eignet, bei denen extrem hohe Durchlässigkeitsanforderungen bestehen und das Risiko von Umwelteinflüssen relativ gut kontrollierbar ist.
Die Versuche mit Sol-Gel-Aluminiumoxid-Beschichtungen sind beachtenswert, doch der Transparenzbereich von Aluminiumoxid deckt hauptsächlich den Bereich von 0,5–4,6 μm ab, sodass die Durchlässigkeit im LWIR-Wellenlängenbereich eingeschränkt ist.
Diamant-Verbundbeschichtungen stellen einen zukunftsweisenden Ansatz dar, bei dem die extrem hohe Härte von Diamant in Verbindung mit einer Germanium-Zwischenschicht zur Anpassung des Brechungsindexes genutzt wird; die Kontrolle der Abscheidetemperatur und die Komplexität des Verfahrens stellen jedoch nach wie vor technische Engpässe dar.

IV. Die Kompetenzen von Yutai Optics im Bereich der CVD-Beschichtung von Zinksulfid-Kugelschirmen und mögliche Kooperationsrichtungen

Yutai Optics verfügt im Bereich der CVD-Beschichtung von Zinksulfid-Kugelschirmen und der dazugehörigen Beschichtungstechnologien über klare Ansatzpunkte und großes Potenzial für die technische Umsetzung.
Was die Substratmaterialien betrifft, deckt Yutai Optics bereits zwei Produktlinien ab: CVD-ZnS und Multispektrales ZnS (Cleartran). Letzteres erweitert nach einer heißisostatischen Pressbehandlung den Durchlassbereich von LWIR bis hin zum sichtbaren Licht und Ferninfrarot (0,4–12 μm) und erfüllt damit die zentralen Anforderungen an Spherodom-Materialien für multispektrale Detektionsanwendungen. Diese Materialkompetenz ist die Voraussetzung für die Umsetzung des Beschichtungsprozesses.
Im Bereich der Prüfung und Qualitätskontrolle ist Yutai Optics nach ISO 9001 zertifiziert und verfügt über die Grundlagen für eine lückenlose Qualitätskontrolle vom Wareneingang der Rohstoffe bis zum Versand der Fertigprodukte. Für Produkte wie Spherical Covers wird empfohlen, das bestehende System um zwei wichtige Prüfverfahren zu ergänzen: die Regenerosionsprüfung und die Nanoindentation-Härteprüfung, um die Schutzwirkung der Beschichtung unter realen Einsatzbedingungen zu quantifizieren. Diese beiden Daten sind zudem die Leistungsindikatoren, auf die Kunden bei der Produktauswahl am meisten achten.