Dünne Schichten

Ein Atom dicke Silberinseln, die durch thermische Verdampfung auf der Oberfläche von Palladium abgeschieden werden. Die Kalibrierung der Oberflächenbedeckung wurde durch die Verfolgung der zur Fertigstellung einer vollständigen Monoschicht benötigten Zeit mithilfe der Tunnelmikroskopie (STM) und durch die Entstehung von Quantentopfzuständen, die für die Dicke des Silberfilms charakteristisch sind, in der Photoemissionsspektroskopie (ARPES) erreicht. Die Bildgröße beträgt 250 nm x 250 nm.

Unter dünnen Schichten, Dünnschicht oder Film (englisch thin films, auch thin layer) versteht man Schichten fester Stoffe mit Dicken Bruchteilen eines Nanometers (Monoschicht) bis zu mehreren Mikrometern. Diese dünnen Schichten zeigen oft ein physikalisches Verhalten (Festigkeit, elektrische Leitfähigkeit usw.), das von dem massiver Körper aus demselben Material abweicht.

Dünne Schichten werden z.B. durch Sputtern oder Molekularstrahlepitaxie (MBE) hergestellt bzw. aufgedampft. Die Methoden des Auftragens von dünnen Schichten bzw. das diesbezügliche Fachwissen wird als Dünnschichttechnologie bezeichnet, der Begriff steht jedoch im Besonderen für mit dieser Technologie gefertigte passive elektronische Bauelemente.

Geschichte und dünne Schichten im Alltag

Ursprünglich war dies die alleinige Bedeutung des Begriffs Film (z.B. dünne Filme), die aber nach der Erfindung der Fotografie und vor allem des Kinofilms einen Wandel erfuhr. Die Begriffe dünne Schichten und Dünnschichttechnologie sind heute jedoch nur für Schichtdicken bis ca. 1 µm gebräuchlich. Die Verwendung des Plurals (dünne Schichten) charakterisiert die speziellen Eigenschaften besonders dünner Schichten über die breite Palette von Anwendungen (optische Filter, Verspiegelungen, Werkstofftechnik, Diffusionsschutz, Hartstoffschichten, Lichtschutz, Dünnschichtsolarzellen usw.).

Fortschritte bei der Dünnschichtabscheidungstechnik im 20. Jahrhundert haben eine Vielzahl technologischer Durchbrüche in Bereichen wie magnetischen Aufzeichnungsmedien, elektronischen Halbleiterbauelementen, integrierten passiven Bauelementen, LEDs, optischen Beschichtungen (z. B. Antireflexbeschichtungen ) und Hartbeschichtungen auf Schneidwerkzeugen ermöglicht und sowohl für die Energieerzeugung (z. B. Dünnschichtsolarzellen ) sowie für die Speicherung (Dünnschichtbatterien).

Regenbogenfarben und Reflexionen an einer Seifenblase

Ein im Alltag bekanntes Beispiel für einen Effekt, der durch dünnen Schichten auftritt, ist Lichtinterferenz: die Regenbogenfarben von dünnen Ölfilmen auf Wasser und bei Seifenblasen sowie die brillanten Farben von Pfauenfedern oder Schmetterlingsflügeln, werden durch einzelnen oder mehreren dünner Schichten hervorgerufen. Dünne Schichten werden nicht nur in Wissenschaft und Technik angewendet – sie finden eine Vielzahl nutzvoller Anwendungen in unserer täglichen Umgebung. Beispiele sind aluminiumbeschichtete Folien für die Verpackung (Kaffee) und Rettungsdecken.

Wirtschaftliche Bedeutung

Die wirtschaftliche Bedeutung dünner Schichten ergibt sich aus den mit der geringen Dicke einhergehenden besonderen Eigenschaften (Interferenz, Sensoren usw.), aus der Materialökonomie und aus den immer weiter verbesserten Verfahren zur großtechnischen Massenfertigung (Beschichtungsverfahren, Maskentechnologie). Mit Hilfe der Dünnschichttechnologie lassen sich mit verschiedenen Verfahren mikrotechnische Bauteile oder andere Funktionsschichten herstellen. Typische Schichtdicken liegen im Mikrometer- und Nanometerbereich, bis hin zu monomolekularen Schichten. Das macht auch den Einsatz teurer Werkstoffe wirtschaftlich, wenn trotz geringer Mengen der gewünschte Effekt erzielt werden kann (Beispiel: Platin-Schichtwiderstände anstelle von Drahtwiderständen zur Temperaturmessung).

Durch Verschleiß können hohe Kosten entstehen. Durch Hartstoffschichten auf preiswerteren, weicheren Materialien lassen sich Schäden verringern und die Standzeit (Werkzeuge) und Qualität (z.B. Kunststoffbrillengläser) verbessern.

Korrosions-Schutzschichten können Schäden durch Korrosion verringern.

Die höchste wirtschaftliche Bedeutung kommt dünnen Schichten in der Mikroelektronik zu. Die meisten mikroelektronischen Bauteile wie z.B. Prozessoren, Speicherbausteine, Monitore, aber auch Speichermedien wie CDs/DVDs und Festplatten werden mit Hilfe der Dünnschichttechnik hergestellt.

Anwendung

Optik

In der Optik spielen dünne Schichten eine große Rolle, sie werden verwendet, um das Reflexions- bzw. Transmissionsverhalten von Oberflächen und optischen Bauelement für UV-, VIS- und IR-Strahlung zu verändern. Das Reflexionsverhalten einer Oberfläche kann durch dünne Schichten wesentlich verändert werden. Typische Anwendungen sind Herstellung von reflektierenden Elementen, wie Spiegeln, oder die Entspiegelungen von Linsen. Dabei kommen im Wesentlichen zwei Materialgruppen zum Einsatz: Metalle (hohe Absorption und Reflexion) und dielektrische Materialien (hohe Transparenz).

Die wichtigste Eigenschaft für solche Schichten ist der (komplexe) Brechungsindex, der wesentlich das Reflexions- bzw. Transmissionsverhalten bestimmt (vgl. Fresnel-Gleichungen). Je nach Anwendungsbereich müssen dünne Schichten zusätzliche technische Anforderungen erfüllen, beispielsweise damit eine entspiegelte Linse alltagstauglich ist. Dazu gehören:

mechanische Belastbarkeit (Haftfestigkeit, Härte, Abriebfestigkeit, Kratzunempfindlichkeit usw.)
thermische Beständigkeit gegenüber Kälte und Wärme sowie ähnliche thermische Ausdehnungskoeffizienten der Schicht und des Substrats, um eine Beschädigung vorzubeugen – meistens besitzen die Schichten bereits durch die Herstellung eine sehr viel höhere Eigenspannung als durch Temperaturdifferenzen entstehen
chemische Resistenz gegenüber Lösungsmittel, Reinigungsmittel, UV-Strahlung, Feuchtigkeit usw.

Die Kombination aller Anforderungen führt dazu, dass nur wenige Stoffe überhaupt als Schichtmaterialien in Frage kommen. So steht wegen der geringen Auswahl an Schichtmaterialien nicht jeder beliebiger Brechungsindex zur Verfügung.