Konforme Beschichtungen mit Atomic Layer Deposition

Homogene Schichten für komplex geformte Substrate sowie Mikro- und Nanostrukturen

Die konforme Beschichtung von komplex geformten Substraten stellt hohe Anforderungen an den Beschichtungsprozess. Für stark gekrümmte, dreidimensionale, mikro- oder nano-strukturierte Komponenten eignet sich insbesondere die Technologie der Atomic Layer Deposition (ALD, deutsch: Atomlagenabscheidung). Ein wesentlicher Vorteil der Atomic Layer Deposition ist die präzise Kontrolle der Schichtdicke und -zusammensetzung. Hierdurch werden strukturtreue und homogene Schichten ermöglicht.

Ihr Partner für konforme Beschichtungen

Das Fraunhofer IOF bietet Kundinnen und Kunden aus Industrie und Forschung anwendungsspezifische und flexible Lösungen an. Unser Angebot im Bereich Konforme Beschichtungen reicht von der Prozessentwicklung für thermische und plasma-unterstützte ALD-Schichten bis hin zu Entwicklungen maßgeschneiderter funktioneller ALD-Beschichtungen auf komplex geformten Substraten (wie z. B. Linsen, Kugeln, Asphären, Zylindern, Mikrolinsen-Array, Kuppeln, Abdeckungen etc.).

ALD-Beschichtungen wurden in der Halbleiterindustrie bereits in groß-technische Maßstäbe überführt. Optische Schichten müssen jedoch weiteren speziellen Anforderungen genügen. Basierend auf unseren Kompetenzen im Bereich ALD sowie Optik wollen wir dieses Beschichtungsverfahren zusammen mit Partnern in der optischen Industrie etablieren.

Was ist Atomic Layer Deposition?

 

Atomic Layer Deposition ist eine leistungsstarke Beschichtungstechnologie basierend auf selbstlimitierenden Oberflächenreaktionen von Präkursoren (Ausgangsstoffe für chemische Reaktionen) und Reaktanten (Substanzen, die bei chemischen Reaktionen verbraucht werden, bspw.: H2O, O2-Plasma etc.).

 

Mehr Infos zum Ablauf / Prinzip

Bei der konformen Beschichtung wird das zu beschichtende Substratmaterial in einer Vakuumkammer platziert. Während des ALD-Prozesses werden die gasförmigen Ausgangsstoffe und Reaktanten alternierend in die Vakuumkammer gepulst. Sie reagieren mit den funktionalen Gruppen (Atomgruppen in einer Verbindung) der Substratoberfläche bzw. der bereits abgeschiedenen Schicht. Es bilden sich neue reaktive Gruppen an der Oberfläche. Die Reaktion ist durch die Anzahl der funktionalen Gruppen selbstlimitiert und kommt nach einer ausreichenden Pulszeit zum Erliegen. Zwischen den Pulsen wird die Vakuumkammer gespült, so dass keine Gasphasenreaktion stattfinden kann. Die Reaktionen sind auf die Oberfläche begrenzt. Ein ALD-Zyklus besteht demnach aus typischerweise vier aufeinanderfolgenden Schritten: Puls des Präkursors, Spülschritt, Puls des Reaktanten, Spülschritt. Der ALD-Zyklus wird wiederholt, wobei sub-nm dicke Schichten gleicher Dicke nacheinander abgeschieden werden. Die Dicke der abgeschiedenen Schicht wird exakt durch die Anzahl der ALD-Zyklen definiert.

Die Abscheidung strukturtreuer Schichten mit präziser Schichtdicke spielt eine entscheidende Rolle bei der Herstellung hochwertiger optischer Systeme. Konventionelle Technologien, wie Verdampfung und Sputtertechniken, eignen sich zur Abscheidung von Schichten auf ebenen Oberflächen. Auf gekrümmten Oberflächen führen diese Verfahren jedoch zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Schichtdicke. Folglich wird die Funktion optischer Schichtsysteme verfälscht.

Das ALD-Verfahren ermöglicht aufgrund der selbstlimitierten oberflächen-begrenzten Reaktionen eine exzellente Konformität der Beschichtung, unabhängig von der Form der zu funktionierenden Oberfläche.

3D-Modell einern Kugel, die mit mehreren dünnen und homogenen Schichten umhüllt ist.
© Fraunhofer IOF
Schema der ALD-Beschichtung auf Kugeln oder Linsen.
3D-Modell von einer optischen Faser, die mit mehreren homogenen Schichten ummantelt ist.
© Fraunhofer IOF
Schema der ALD-Beschichtung auf Fasern.
Konforme TiO₂ -ALD-Beschichtung auf einem Gittersubstrat.
© Institut für Angewandte Physik Jena
Hocheffizientes Transmissionsgitter – erreicht durch ein in ALD-Schichten eingebettetes Quarzglasgitter.

 

Die Vorteile der Atomic Layer Deposition im Überblick:

  • Konforme Beschichtungen auf Substraten mit geometrisch anspruchsvollen Formen (wie Linsen, Fasern, Halbkugeln, Zylindern, Kuppeln, Röhren, etc.)
  • Strukturtreues Dünnschichtwachstum auf nano-/mikrostrukturierten Substraten (wie z. B. Gittern, Mikrolinsenarrays, poröse Membrane)
  • Maßgeschneiderte Materialeigenschaften durch Verbundmaterialien und Nanolaminate
  • Präzise Kontrolle der Schichtdicken in Sub-Nanometer-Bereichen
  • Optisch homogene Schichten
  • Geringe Oberflächenrauheit
  • Hohe Gleichmäßigkeit und Reproduzierbarkeit 
  • Funktionalisierung temperaturempfindlicher Substrate bei niedrigen Abscheidetemperaturen mittels plasma-unterstützer ALD (PEALD)

Märkte und Anwendungen

 

Konforme Beschichtungen können in vielen verschiedenen Branchen und Einsatzbereichen vorteilhaft eingesetzt werden. Hierzu zählen u. a. Luft- und Raumfahrt, Laseroptiken, Automotive, Telekommunikation, Medizintechnik/Biologie, Mikroelektronik, Displaytechnologie oder Halbleiterindustrie.

Anwendungsgebiete:

  • Konforme Antireflexion/High-Reflexion Laseroptiken
  • Beschichtung von Linsen, Endoskopen, Brillen
  • Entspiegelung von Faserendflächen
  • Konforme Beschichtung von Schutzabdeckungen für Kamera- und Sensorsystemen
  • Barriere-/Schutzschichten für z. B. OLEDs, Silberschichten, …
  • und vieles mehr ...
Eine mit ALD beschichtete Linse in der Hand.
© Fraunhofer IOF
Atomschichtabscheidung von Antireflexionsschichten und Bandpassfiltern.
3D-Explosionsabbildung einer Smartphone-Kamera mit dem Aufbau aus mehreren Linsen.
© stock.adobe
Moderne Linse der Smartphone-Doppelkamera-Struktur sorgt für neue Funktionen im Smartphone-Kamerakonzept.
Kameraobjektiv mit drei beschichteten Einzellinsen.
© Fraunhofer IOF
Konforme Beschichtungen auf Kameralinsen ermöglichen Optimierungen in der Fotografie.

Unser Leistungsangebot

Unser Leistungsspektrum zeichnet sich durch Vielseitigkeit sowie einer großen Spannbreite an funktionellen Kombinationsmöglichkeiten aus. Zudem entwickeln wir neue Verfahren sowie Lösungen für unsere Kundinnen und Kunden.

  • Hochqualitative Oxidschichten mit ausgezeichneten Hafteigenschaften und hoher Abriebfestigkeit
  • Individuell abgestimmte nanoporöse SiO2-Schichten mit präziser Kontrolle des Brechungsindexes
  • Einzelschicht- und Breitbandentspiegelungen für den UV–VIS–NIR Spektralbereich
  • Doppelseitige Beschichtung auf Glassubstraten
  • Mögliche Charakterisierungs- und Materialbehandlungen für ALD-beschichtete Substrate und Komponenten:
    • Spektralphotometrie, Ellipsometrie, XRR, XRD, AFM, REM etc.
    • Thermische Stabilität und Tempern
    • Chemische Stabilität und nasschemisches Ätzen
    • Handhabung von feuchtigkeitsempfindlichen Subtraten unter inerter Atmosphäre
  • Unterstützung beim Technologietransfer

Neben konformen Beschichtungen bieten wir unseren Kunden Lösungen entlang der gesamten photonischen Prozesskette an – von der funktionellen Beschichtung von Oberflächen bis hin zur Realisierung optischer Komponenten und kompletter Systeme.  

ALD funktionalisierte Komponenten: Glas-Kuppel mit und ohne Entspiegelungsschichtsystem, Kugel- und Halbkugellinsen mit Schmalbandfilter.
© Fraunhofer IOF
ALD funktionalisierte Komponenten: Glas-Kuppel mit und ohne Entspiegelungsschichtsystem, Kugel- und Halbkugellinsen mit Schmalbandfilter.

Mögliche funktionelle ALD-Beschichtungen:

  • Interferenzschichtsysteme wie Bandpassfilter, Strahlteiler, Polarisatoren, Spiegel usw.
  • Antireflexbeschichtungen
  • Röntgenoptiken
  • Photonische Kristalle
  • Polarisatoren
  • Diffraktive optische Elemente
  • Hochleistungstransmissions- oder Reflexionsgitter
  • Resonanzwellenleiter
  • Füllen von nanostrukturierten Materialien
  • Biokompatible oder antibakterielle Oberflächen
  • Hydrophobe oder hydrophile Beschichtungen
  • Barriere- und Schutzbeschichtungen
  • Diffusionsmembranen
  • Verkapselung, Faserbeschichtung, Metamaterialien, Sensoren usw.
Konform beschichtetes Substrat mit stark gewölbter Oberfläche zur Veranschaulichung der ALD-Technologie.
© Fraunhofer IOF
Konforme Antireflexbeschichtung mit winkel-unabhängigem Farbeindruck.

 

Unsere breite Materialpalette:

  • Oxide (TiO2, Ta2O5, HfO2, Al2O3, SiO2)
  • Nanoporöse Oxide (SiO2, Al2O3)
  • Metalle (Ir, Ru)
  • Doping von Dünnschichten
  • Verbundmaterialien mit maßgeschneiderter Zusammensetzung und Eigenschaften
  • Nanolaminate
  • Organische oder hybrid organisch-anorganische MLD-Beschichtungen (Molecular Layer Deposition, deutsch: Moleküllagenabscheidung)

Auf Wunsch führen wir auch maßgeschneiderte Materialentwicklungen durch.

Atomlagenabscheidung (ALD) kann bei der Beschichtung optischer Komponenten wie z. B. Asphären, konvexen und konkaven Linsen oder Kugellinsen zum Einsatz kommen.
© Fraunhofer IOF
Atomlagenabscheidung (ALD) kann bei der Beschichtung optischer Komponenten wie z. B. Asphären, konvexen und konkaven Linsen oder Kugellinsen zum Einsatz kommen.

Ihre Vorteile an der Zusammenarbeit mit uns

Dank unserer langjährigen Erfahrung und unserem umfangreichen Wissen im Bereich optischer ALD-Schichten erhalten Sie bei uns spezifische Lösungen, die auf Ihre anspruchsvollen Anforderungen zugeschnitten sind.

  • Wir pflegen eine sehr enge Verbindung zur Grundlagenforschung am Institute of Applied Photonics.
  • Wir verfügen über ein breites, Fraunhofer-weites Netzwerk.
  • Wir bieten Alleinstellungsmerkmale durch den Besitz von Patenten.
  • Wir bieten Zugriff auf mehrere ALD-Anlagen, die wiederum ein breites Spektrum an Möglichkeiten eröffnen.
  • Wir bieten große Forschungs- und Transferstärke.
  • Wir arbeiten anwendungs- und kundenorientiert.
Gleichmäßige Al2O3-Beschichtung (ca. 100 nm) auf einem 6 Zoll Siliziumwafer, hergestellt mittels Atomlagenabscheidung (ALD).
© Fraunhofer IOF
Gleichmäßige Al2O3-Beschichtung (ca. 100 nm) auf einem 6 Zoll Siliziumwafer, hergestellt mittels Atomlagenabscheidung (ALD).

 

Technische Ausstattung

Unsere Forscherinnen und Forscher verfügen über Zugriff auf mehrere ALD-Beschichtungsanlagen. Diese können sowohl die thermische als auch die plasma-gestützte Atomlagenabscheidung durchführen. Die plasma-gestützte Atomlagenabscheidung ist insbesondere für temperaturempfindliche Substrat-Materialien relevant, um sie (im Gegensatz zur thermischen ALD) nicht zu hohen Temperaturen auszusetzen.

Mit den zur Verfügung stehenden ALD-Anlagen können bis zu acht Präkursoren (+ H2O + O3) für die konforme Beschichtung verwendet werden. Dies ermöglicht die Realisierung von einer Vielzahl an Materialien und maßgeschneiderten Zusammensetzungen für die verschiedensten Funktionalitäten.

 

Unsere Forschungsstärke

Jahresberichtsbeiträge

Die Forschungsstärke unserer Expertinnen und Experten zeigt sich u. a. in den Beiträgen des Fraunhofer IOF Jahresberichts. In diesem werden jährlich ausgewählte Forschungsergebnissen aus dem vorherigen Jahr (Archiv Jahresberichte) veröffentlicht. Hier finden Sie die Beiträge zu den Entwicklungen rund um Atomic Layer Deposition aus den vergangenen Jahren:

  • »Konforme Beschichtung für hocheffiziente Spektrometergitter« (Jahresbericht 2020, Seite 68-69)
  • »HfO2 und SiO2 ALD-Schichten für Laseranwendungen« (Jahresbericht 2019, Seite 40-41)
  • »Eigenschaften von Oxiden hergestellt mittels neuem PEALD-System« (Jahresbericht 2018, Seite 46-47)
  • »3D-konforme Antireflex-Schichten mittels ALD« (Jahresbericht 2017, Seite 44-45)
  • »Strukturtreue nanoporöse SiO2-Schichten mit maßgeschneiderter Brechzahl« (Jahresbericht 2016, Seite 72-73)
  • »Atomlagenabscheidung von Antireflexbeschichtungen« (Jahresbericht 2015, Seite 66-67)

 

Wissenschaftliche Publikationen und Patente

Darüber hinaus publizieren unsere Forscherinnen und Forscher viele ihrer wissenschaftlichen Ergebnisse in Fachzeitschriften. Sowohl die Vielzahl der wissenschaftlichen Publikationen als auch der Patente spricht für die Exzellenz unserer Forscherinnen und Forscher.

Eine Auflistung der Fachbeiträge sowie Patente zum Thema Atomic Layer Depositon finden Sie nachfolgend:

 

Auswahl an wissenschaftlichen Publikationen

Verschieden große Linsen, die mit ALD beschichtet wurden.
© Fraunhofer IOF
Mit ALD (Atomic Layer Deposition) beschichtete Linsen.

Haben wir Ihr Interesse geweckt?

 

Dann kontaktieren Sie uns.

Wir entwickeln maßgeschneiderte Lösungen für photonische Fragestellungen aus der Wirtschaft und Wissenschaft.

Es ist noch etwas unklar?

 

Stellen Sie uns Ihre Fragen.
Wir helfen gern weiter.

Falls Sie Fragen zur Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IOF haben, finden Sie unter folgendem Link weitere Informationen:  

 

Sie finden nichts Passendes zu Ihrem Anliegen?

Dann sprechen Sie uns trotzdem an.

Die Möglichkeiten der Atomic Layer Deposition sind hochgradig individuell – genauso individuell kümmern wir uns auch um eine passende Lösung für Sie.

Weiterführende Informationen

Funktionelle Oberflächen und Schichten

Erhalten Sie einen Überblick über das gesamte Leistungsangebot unserer wissenschaftlichen Fachabteilung »Funktionelle Oberflächen und Schichten« am Fraunhofer IOF.

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Weitere Informationen und Leistungsangebote zu:

Oberflächen- und Schichtcharakterisierungen