Dünne Schichten

Unter dünnen Schichten (engl. thin films) oder auch Dünnschicht (engl. layer) versteht man Schichten fester Stoffe im Mikro- beziehungsweise Nanometerbereich. Diese dünnen Schichten zeigen oft ein physikalisches Verhalten (Festigkeit, elektrische Leitfähigkeit usw.), das von dem massiver Körper aus demselben Material abweicht. So können auch Eigenschaften erreicht werden, die sonst nicht vorhandenen sind. Dünne Schichten werden in der Oberflächenveredelung sowie der Mikroelektronik eingesetzt.

Bekannte Beispiele aus dem Alltag wie Regenbogenfarben von dünnen Ölfilmen auf Wasser und bei Seifenblasen, sowie die brillanten Farben von Pfaufedern oder Schmetterlingsflügeln, werden durch Lichtinterferenz an einzelnen oder mehreren solcher Schichten hervorgerufen. Dünne Schichten finden aber eine Vielzahl nutzvoller Anwendungen nicht nur in Wissenschaft und Technik sondern vor allem in unserer täglichen Umgebung. Dünne Schichten werden z.B. durch Sputtern oder Molekularstrahlepitaxie (MBE) hergestellt bzw. aufgedampft.

Den Vorgang des Auftragens von dünnen Schichten bzw. das diesbezügliche Fachwissen wird allgemein häufig als Dünnschichttechnologie bezeichnet.

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. Aus diesem Grund werden heute die Begriffe dünne Schichten und Dünnschichttechnologie bevorzugt. Weil heute meist ein System aus mehreren Schichten verwendet wird, spricht man im Plural von dünnen Schichten und nicht von einer dünnen Schicht.

Neben diesem Artikel Dünne Schichten existiert noch ein separater Text über Dünnschichttechnologie mit i. W. abweichendem Inhalt, auf den hiermit explizit hingewiesen wird.

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Verwendung

In der Optik werden dünne Schichten dazu verwendet um die optischen Eigenschaften von Oberflächen und Grenz- und Oberflächen zu verändern. Diese Grenzflächen tragen dazu bei, dass einfallendes Licht teilweise reflektiert und teilweise transmittiert und gebrochen wird. Das Brech– und Reflexionsverhalten ist jedoch teilweise sehr undefiniert und nicht effizient genug. Mit dünnen Schichten kann man jedoch ein definiertes Transmissions– und Reflexionsverhalten für Ober– und Grenzflächen erreichen.

Die einfachsten dünnen Schichten sind dünne Metallschichten (Aluminium, Silber und Gold sind gebräuchlich), die ein transparentes Substrat in einen Spiegel verwandeln, oder dünne Schichten aus Magnesiumfluorid, die den Reflexionsgrad von Glas von 4,25 % auf etwa 1,25 % senken, wobei der Transmissions- und Reflexionsgrad stark vom Einfallswinkel und der verwendeten Wellenlänge abhängt. Die Präzision bei der Herstellung dieser Schichten muss sehr hoch sein, damit es zu Interferenzeffekten kommen kann.

Wirtschaftliche Bedeutung

Die wirtschaftliche Bedeutung dünner Schichten ist groß und stetig wachsend. Mit Hilfe der Dünnschichttechnologie lassen sich mit verschiedenen Verfahren mikrotechnische Bauteile oder andere Funktionsschichten herstellen. Typische Schichtdicken liegen oft 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.

Allein durch Verschleiß entstehen in den großen Industrienationen jährlich Schäden in Höhe von mehreren hundert Millionen Euro, der Schaden durch Korrosion dürfte sich auf ein Mehrfaches belaufen. Hier können entsprechende Schutzschichten die Kosten deutlich 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.

Funktionsprinzip

Die Eingangs beschriebenen Regenbogenfarben( (z. B. bei einem dünnen Ölfilm auf Wasser) kommen durch Interferenz zustande, die durch einen Gangunterschied des reflektierten Lichtes zustande kommen, dieser Gangunterschied wiederum entsteht durch die unterschiedlichen Brechzahlen von Öl und Wasser und die unterschiedlichen optischen Wege, die die Teilstrahlen zurücklegen.

Erklärendes Beispiel

  Ein bei A auf die Oberfläche treffender Strahl wird in einen reflektierten und einen gebrochenen Teilstrahl aufgeteilt. Diese zur Interferenz benötigte Strahlteilung bezeichnet man auch als Amplitudenteilung. Der gebrochene Teilstrahl wird (ganz oder teilweise) an der Unterseite bei B reflektiert und verlässt nach erneuter Brechung bei C die Schicht parallel zu dem bei A reflektierten Strahl. Der bei C reflektierte Strahl erfährt Mehrfachreflexion, die zu vielen parallel austretenden Strahlen und damit zur Vielstrahlinterferenz führen. Der Anschaulichkeit halber werden hier nur die 2 Hauptreflexionen betrachtet, die mit einer Linse (oder dem Auge) im Punkt P zur Interferenz gebracht werden.

Gangunterschied

Da die beiden Wellen unterschiedliche Wege zurücklegen, weisen sie in P einen Gangunterschied von Δ auf. Bei senkrechtem Einfall, wo Strahl 2 die Dicke d zweimal zusätzlich durchlaufen muss, gilt für den Gangunterschied bei Reflexion an einer Schicht: Δ = 2·n₁·d + Δ_r, hierbei ist d die Schichtdicke, n₁ ihre Brechzahl und Δ_r der durch die Reflexion evtl. erzeugte Gangunterschied. Treten beide Reflexionen nur am optisch dichteren (n₀ < n₁ < n₂) oder nur am optisch dünneren Medium (n₀ > n₁ > n₂) auf, gilt Δ_r = 0. Bei Reflexionen am optisch dichteren und optisch dünneren Medium ist Δ_r jedoch λ/2. Deswegen tritt trotz gleicher optischer Dicke bei einer Schicht konstruktive und bei der anderen destruktive Interferenz auf. Dies findet Anwendung bei Brillengläsern und Linsen durch reflexmindernde Schichten wobei n₀ = 1 (für Luft) und n₁ < n₂, sodass keine Phasensprünge auftreten. Um die störende Reflexion durch Interferenz zu unterdrücken, müssen folgende 2 Bedingungen erfüllt werden.

Phasenbedingung

Für destruktive Interferenz müssen die Phasen der Teilwellen entgegengesetzt sein, also der Gangunterschied Δ = 2n₁d = λ / 2 oder ein ungerades Vielfaches davon aufweisen. In diesem Fall muss die Dicke eine so genannte "Lambda-Viertel-Schicht" (λ / 4) sein.

Amplitudenbedingung

Zusätzlich zur Phasenbedingung müssen die Amplituden der beiden Teilwellen gleichgroß sein, damit es zur destruktiven Interferenz kommt. Der Reflexionsfaktor r an den Grenzflächen zwischen 2 Medien ( Medium 1 und 2) ist gegeben durch das Verhältnis von reflektierter zu einfallender Amplitude . Zur Erfüllung der Amplitudenbedingung muss an der Grenzfläche 0 zu Grenzfläche 1 und an Grenzfläche 1 zu Grenzfläche 2 gelten, dass r_0->1 = r_1->2. Dadurch lässt sich das Verhältnis aufstellen und damit die Brechzahl einer λ / 4 - Schicht bestimmen durch
Da aber i. d. R. noch andere Faktoren eine Rolle spielen, gibt es meistens keinen Stoff, der die Amplitudenbedingung exakt erfüllt.

Mit Einfachschichten lassen sich Reflexminderungen nur unbefriedigend erreichen. In der Praxis erhält man durch Dreifachschichtung mit unterschiedlichen Brechzahlen und Dicke reflexmindernde Schichten, die über den ganzen sichtbaren Bereich funktionieren.

Herstellung

Schichtmaterialien

Eine dünne Schicht, die auf eine Linse aufgebracht wird, muss nicht nur vorgegebene optische Eigenschaften (Brechzahl, Absorption) besitzen, sondern auch noch zusätzliche technische Anforderungen erfüllen, damit die Linse alltagstauglich ist. Dazu gehören

• die mechanische Belastbarkeit (Haftfestigkeit, Härte, Abriebfestigkeit und Kratzunempfindlichkeit, Zentrieren, Ultraschall),
• die thermische Belastbarkeit (Kälte, Wärme) und
• die chemische Belastbarkeit (Lösungsmittel, Reinigungsmittel, Hautschweiß, UV-Strahlung, Feuchtigkeit).

Des Weiteren darf sich der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials nicht stark von dem des Substrats unterscheiden, um ein Abplatzen der Schicht bei Temperaturdifferenzen zu verhindern. 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 jede beliebige Brechzahl zur Verfügung.

In der folgenden Tabelle finden sich einige ausgewählte Schichtmaterialien mit ihren mittlern Brechzahlen.

Beschichtungstechniken

Hauptartikel: Dünnschichttechnologie

• Anstriche
• Tauchverfahren
• Rotationsbeschichtung (Spin-coating)
• Galvanisieren
• Chemische Gasphasenabscheidung
• Physikalische Gasphasenabscheidung
  • Sputtern
  • Ionenplattieren
• selbstwachsende Oxidfilme

Anwendungen

• Hitzespiegel (hot mirrors), die den sichtbaren Teil des Lichtes (VIS) transmittieren und die Hitzestrahlung (Infrarot) reflektieren
• bei Kaltspiegeln (cold mirrors), die das genaue Gegenstück zu den Hitzespiegeln darstellen
• schmalbandige Filter
• Kurz- und Langwellenfilter
• Strahlteiler und Strahlvereiniger (beam combiner)
• Polarisatoren
• Polarisationsfilter
• Farbfilter
• Interferenzfilter
• Zahnbehandlung (Aminfluorid zur Versiegelung und Härtung der Zahnoberfläche)
• Medizin (Beschichtung von Prothesen)
• elektronische Bauteile (Thin-Film-Transistor)
• Solarzellen
• CD, DVD
• schmutzabweisende Oberflächen auf Glas und Keramik (Lotusblüteneffekt)
• Entspiegelung optischer Flächen (Linsen, Brillengläser, siehe auch: Marga Faulstich)
• Verbesserung der Kratzfestigkeit optischer Flächen von Kunststoffteilen
• Thermofenster
• Lebensmittelverpackungen (beschichtete PA-Folien als Gas- und Aromasperre zum Verpacken von Fleisch, Wurst und Käse)

Siehe auch

• Dünnschichttechnologie
• Beschichten
• Oberflächentechnik

Literatur & Quellen

• "Optik für Ingenieure. Grundlagen" von Frank L. Pedrotti, Leno S. Pedrotti, Werner Bausch, Springer - Berlin, ISBN 3-540-22813-6
• "Thin Film Technology Handbook", Aicha Elshabini-Riad & Fred D. Barlow III, McGraw-Hill, New York, ISBN 0-07-019025-9