Schichtdesign und Dünnschichtmodifikation

Detailaufnahm Sensorstruktur.
© Fraunhofer ILT
Detailaufnahm Sensorstruktur.

Der Laser als zeitlich und örtlich hervorragend zu steuerndes Werkzeug ist (bei an die optischen Eigenschaften der Schichten angepasster Laserwellenlänge) prädestiniert, dünne Schichten zu modifizieren, z.B. durch Kristallisierung, Sinterung oder Schmelzen. Insbesondere auf thermisch empfindlichen Substraten wie Gläsern, Kunststoffen oder gehärteten Stählen mit niedrigen Anlasstemperaturen ist die mit der Laserstrahlbehandlung verbundene, geringe thermische Belastung des Substrates im Vergleich zu konventionellen Prozessen oftmals der Schlüssel zur Erzeugung funktionaler Schichten. Auch die Möglichkeit, Schichten ortsselektiv zu behandeln, eröffnet neue Möglichkeiten in der Gestaltung von Oberflächeneigenschaften. Mögliche Schichtanwendungen können wie folgt aussehen:

  • Funktionale Schichten und Multi-Material-Schichtsysteme für Sensorik, Elektronik und Optik

  • Verschleiß- und Korrosionsschutzschichten für Werkzeuge und Bauteile

  • Tribologische Schichten für hochbeanspruchte Komponenten

  • Lasernachbehandlung nano- und mikropartikulärer Schichten

  • Kombinationsverfahren aus nasschemischen Beschichtungsverfahren (z. B. Tauchbeschichten, Rotationsbeschichten, Ink-Jet, Sprühverfahren, Dispensen, Siebdruck, Tampondruck) und Lasernachbehandlung

Thermoelektrische Dünnschichtsysteme

Durch spezielle Technologien und Verfahrensauslegungen lassen sich mit dünnen Schichten funktionale Bauteile erzeugen. Thermoelektrische Bauteile (TE-Bauteile) werden traditionell aus Massivmaterialien hergestellt. Seit einigen Jahren gibt es Ansätze, TE-Bauteile in Dünnschichttechnologie herzustellen. Fraunhofer IPM hat im Projekt Micropelt gemeinsam mit der Infineon AG das erste waferbasierte Produktionsverfahren für thermoelektrische Konverter in Dünnschichttechnologie und Mikrostrukturtechnik entwickelt. Solche Konverter zeichnen sich durch extrem hohe Leistungsdichten aus. Ihre verbesserte Dynamik ermöglicht punktgenaues, schnelles Kühlen.

Organisch-Elektronische Dünnschichtsysteme

Eine weit über die Verwendung klassischer Beschichtungstechnologien hinausgehende Anwendung von Dünnschichtverfahren ist die Herstellung organischer Halbleiterbauelemente, wie sie am Fraunhofer FEP verfolgt werden. Organische Halbmaterialien ermöglichen großflächige Bauelemente, wie z. B. organische Leuchtdioden (OLED) oder organische Solarzellen auf flexiblen Trägermaterialien.

Mit Modulen auf dünnen Substraten wie Metall- und Polymerfolien oder ultradünnem flexiblem Glas können unter anderem völlig neuartige Beleuchtungslösungen (z. B. in gekrümmte Oberflächen integriert) geschaffen werden. Von besonderer Bedeutung ist auch eine mögliche Transparenz der Module. Anwendungen sind vor allem dort zu finden, wo designerische Anforderungen mit  Effizienz und Leichtgewichtigkeit verbunden werden, wie besonders im Automobil- und Flugzeugbau, aber auch bei der Integration in Möbel, Inneneinrichtungen oder Verpackungen.

Kompetenzen entlang der gesamten Wertschöpfungskette für flexible OLED-Module – vom blanken Substrat bis hin zu einer integrierten Leuchte sind z.B. am Fraunhofer FEP vorhanden. Es werden Forschungs- und Entwicklungsdienstleistungen für alle Entwicklungen bis hin zu kundenspezifischen Layouts auf Prototypenlevel in Kleinserie angeboten werden. Zahlreiche Prozesse und Anlagen, sowie mehrere Reinräume sind verfügbar, wodurch Produktentwicklungen und –innovationen durch Kombination der Verfahren und Prozesse ermöglicht werden. Es stehen verschiedene Beschichtungsmöglichkeiten, wie Vakuumverdampfung von organischen und anorganischen Materialien, die Atomic Layer Deposition (ALD), genauso wie Druck- und Laminationsverfahren sowie Laser-Ablation, zur Verfügung. Viele dieser Prozesse können ohne Vakuumbruch oder unter Inertbedingungen durchgeführt und kombiniert werden.

Diese präparativen Technologien werden durch leistungsfähige Mess- und Charakterisierungseinrichtungen für die elektrische und optische Analyse von OLED, Solarzellen und Photodioden, ergänzt.

Typische Anwendungsfelder für organische Halbleiterbauelemente sind:

  • OLED auf flexiblen Substraten (Metall- und Polymerfolien, ultradünnes flexibles Glas,…)

  • Flexible OLED Beleuchtung

  • Organische Photovoltaik (OPV)

  • Organische Photodioden (OPD)

  • Flexible Solarmodule

  • Transparente Solarzellen

  • OLED-Mikrodisplays

  • OLED Mikrostrukturen

  • Farbvariable OLED

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Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM
Heidenhofstr. 8
79110 Freiburg

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Prof. Dr. Norbert Kaiser

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Dr. rer. nat. Peter Frach

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Dr.-Ing. Jochen Stollenwerk

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