Materialien für mikro- und nanooptische Elemente

Die Auswahl des geeigneten Materials ist ein entscheidender Schritt auf dem Weg zum optimalen System. Das Fraunhofer IOF besitzt umfangreiche Erfahrungen in der Evaluation und Qualifikation von optischen Materialien und kann dadurch bereits im Designprozess spezifisch für jeden Anwendungsfall bei der Auswahl eine optimale Entscheidung treffen. Dabei spielen häufig auch nicht-optische Eigenschaften eine Rolle, insbesondere die feinoptische Bearbeitbarkeit, die Beschichtbarkeit, die thermische Eignung, das Vakuumverhalten usw. Ein holistischer Designansatz, der Ihre Projektanforderungen im Blick hat, wird zur Realisierung deswegen benötigt.

Die Strukturierung von Oberflächen in Dimensionen der Wellenlänge ermöglicht zudem die gezielte Manipulation der optischen Eigenschaften eines Materials, sodass Effektiv-Medium-Materialien und Metastrukturen realisiert werden können.

Lithographie als technologische Voraussetzung

Ob Elektronenstrahl-, Foto- oder Nano-Imprint-Lithographie, diese Technologien ermöglichen Mikro- und Nanostrukturen in sehr hoher Qualität in den jeweilig optimalen Resistmaterialien. Jedoch sind diese zumeist nicht die Materialien des fertigen optischen Elements, sondern stellen die Maskierung für den Ätztransfer-Prozess oder die Ursprungsform (Master) für die Replikation dar. Erst die nachfolgenden Prozesse führen auf die anwendungsspezifischen optischen Materialien, Beschichtungen und Materialsysteme.

Die verfügbare Infrastruktur am IOF ist darauf ausgelegt, optisch-relevante Materialien zu prozessieren und hochqualitative optische Strukturen zu erzeugen. Unsere Expertise deckt sowohl die Lithographie-Materialien als auch die optischen Funktionsmaterialien ab. Erfolgsversprechend ist die anwendungsbezogene Wahl gemeinsam mit Ihnen.

Unsere Leistungsschwerpunkte und Kompetenzen

In unserer Prozesskette können wir ein breites Spektrum an Substratmaßen prozessieren. Vom Wafer bis zum Mask Blank sind Maße bis zu einem Durchmesser von 300mm möglich, Dicken von 100µm bis 15mm. Teilweise werden die Substrate als Träger genutzt und bei anderen Anwendungen wird das Substrat strukturiert oder eine Silikon-auf-Glas Abformung genutzt. Damit können wir viele Anwendungen ermöglichen.

Schwerpunkte liegen bei den strukturierten Materialien bei siliziumbasierten Stoffen (Kieselglas, Silizium, Siliziumnitrid) und hochbrechenden Oxiden. Im Bereich der Replikation werden zumeist einkomponentige Acrylate und Epoxide verwendet. Als Trägersubstrate werden neben Fused Silica auch jegliche Art von Borosilikat-, Kron- und Flintglas in Wafer- oder Plattenform genutzt.

Beispiele für strukturierte Materialien (nicht vollständig):

  • Transmittive Pulskompressorgitter: Fused Silica SiO2
  • Reflektive Pulskompressorgitter und hocheffiziente Spektrometergitter: designte Schichtstapel aus dielektrischen, hoch- und niedrigbrechenden Schichten
  • Entspiegelungsstrukturen: Beschichtungen oder nanostrukturiert, UV bis FIR
  • Echellegitter und Transmissionsoptiken SWIR – MIR: Silizium
  • Wellenleiter-Strukturen: Siliziumnitrid Si3N4, Lithium-Niobat LiNbO3
  • Spectral-Purity-Filter für EUV und soft-X-ray in Reflexion: Silizium
  • Transmissionsoptiken MIR: Germanium, Silizium, Diamant (DLC)
  • Mikrolinsen: Silizium (SWIR-MIR), Kieselglas (UV-SWIR), Borosilikatglas (VIS-NIR)
  • Optische Blendenmaterialien: Metalle, Schwarzchrom (nasschemisch)
  • Transparent leitfähige Schichten: Indium-Zinnoxid (ITO) (nasschemisch)

Das Material Ihrer Wahl ist nicht in der Liste? Sprechen Sie uns gerne darauf an, wir erweitern stetig unser Portfolio.

Materialien für die Replikationsprozesse

Für Replikationsprozesse werden kommerziell verfügbare Polymere genutzt, wobei Fraunhofer IOF ebenso Experimentalmuster testet. Materialien für die Replikation mit UV-Abformung (nicht vollständig):

  • Acrylate
  • Epoxide
  • Ormocere
  • Silikon

Flexible Materialauswahl & Plattformentwicklung für hybride PICs

Für Replikationsprozesse werden kommerziell verfügbare Polymere genutzt, wobei Fraunhofer IOF ebenso Experimentalmuster testet. Materialien für die Replikation mit UV-Abformung (nicht vollständig):

  • Plattformen mit hohem TRL:
    LiNbO3 (LNO) und SiN bieten ausgereifte Technologien mit stabiler Prozessierung und hoher Zuverlässigkeit. Unser Highlicht: verlustarme LNOI Einmoden-Wellenleiter mit <2 db/m.
  • Plattformen in Entwicklung:
    Materialien wie BaTiO3 (BTO) eröffnen neue Freiheitsgrade in der nichtlinearen und elektrooptischen Funktionalität.
  • Hybride Ansätze:
    Kombination linearer, elektrooptisch aktiver und nichtlinearer Materialien sowie Integration von (Einzel-)Emittern ermöglichen erweiterte (quanten-)optische Funktionalitäten.
  • Erweiterte Materialintegration:
    Ionenimplantation zur gezielten Defekterzeugung, Integration von nichtlinearen van-der-Waals-Materialien (z. B. 3R-MoS2, NbOI2) sowie elektrooptisch aktiven Schichten für neuartige Bauelementdesigns.
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