Konforme Beschichtungen mit Atomic Layer Deposition

Was ist Atomlagenabscheidung?

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.

Die Vorteile der Atomlagenabscheidung 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 für konforme Beschichtungen

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 ...
  

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
• Lizenzvergabe von patentierten Verfahren

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.  

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.

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.

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.

Technische Ausstattung im Bereich konforme Beschichtungen

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

Forschungsberichte

Die Forschungsstärke unserer Expertinnen und Experten zeigt sich u. a. in den Beiträgen des Fraunhofer IOF Jahresberichts. In diesem werden jährlich ausgewählte Forschungsergebnisse 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«
• »HfO₂ und SiO₂ ALD-Schichten für Laseranwendungen«
• »Eigenschaften von Oxiden hergestellt mittels neuem PEALD-System«
• »3D-konforme Antireflex-Schichten mittels ALD«
  
• »Strukturtreue nanoporöse SiO₂-Schichten mit maßgeschneiderter Brechzahl«
  
• »Atomlagenabscheidung von Antireflexbeschichtungen«

Volltexte Forschungsberichte

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. Zu unseren patentrechtlich geschützten Verfahren bieten wir Lizenzen an.

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

Auswahl an wissenschaftlichen Publikationen