FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR SCHICHT- UND OBERFLÄCHENTECHNIK IST ELEKTRISCHE FUNKTIONSSCHICHTEN

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1 FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR SCHICHT- UND OBERFLÄCHENTECHNIK IST ELEKTRISCHE FUNKTIONSSCHICHTEN

2 1 ELEKTRISCHE FUNKTIONSSCHICHTEN Elektrische Funktionsschichten am Fraunhofer IST Elektrische Funktionsschichten sind Schlüsselkomponenten für eine Vielzahl von Produkten. Das Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST entwickelt kundenorientiert derartige Schichten für neue Schichtmaterialien und -materialkombinationen mit definierten elektrischen Eigenschaften sowie die dazugehörigen Beschichtungsprozesse. Beispiele für Anwendungsbereiche sind die Informations- und Kommunikationstechnologie, Photovoltaik, Medizintechnik, Automobil- und Konsumgüterindustrie und die Luft- und Raumfahrt. Unser Dienstleistungsangebot Schicht- und Prozessentwicklung Schichtcharakterisierung Simulation und Modellierung Fertigung und Beschichtung von Demonstratoren, Prototypen und Kleinserien Beratung und Machbarkeitsstudien Technologien Reinigung und Vorbehandlung PVD-Verfahren, z. B. Aufdampfen, Gasflusssputtern, Magnetronsputtern, HIPIMS CVD-Verfahren, z. B. Heißdraht-CVD, Plasma unterstützte CVD Photolithographie und Laserstrukturierung Galvanische Verfahren, z. B. Kunststoffmetallisierung, Dispersionsschichten Atmosphärendruckplasmaverfahren, z. B. Corona- Entladung, Dielektrische Barriereentladung, Mikroplasma Schicht- und Prozessentwicklung Kontakt- und Barriereschichten Halbleitende Schichten Transparente leitfähige Oxide (TCO) Leitfähige bordotierte Diamantschichten für Elektroden Kunststoffmetallisierungen u. a. für MID*-Technologie Dünne Metallschichten mit optimierter Leitfähigkeit Hochohmschichten mit definierten Widerstandswerten Isolationsschichten Thermo- und piezoresistive Schichten Elektrische Schichtcharakterisierung Elektrische Leitfähigkeit und Leitfähigkeitsverteilung Hall-Effekt Thermoelektrische Effekte Piezoresistive Effekte Photoleitfähigkeit Impedanzmessungen Durchschlagfestigkeit Wärmeleitfähigkeit * Molded Interconnect Device

3 2 3 SCHICHTEN UND PROZESSE Kunststoffmetallisierung Die Metallisierung von Kunststoffoberflächen ist ein wichtiges technisches Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von Produkten. Das Fraunhofer IST bietet Kompetenzen im Bereich der Aktivierung und Modifizierung von Kunststoffoberflächen mittels umweltfreundlicher Plasmaprozesse sowohl im Vakuum als auch bei Atmosphärendruck und im Bereich nasschemischer galvanischer Verfahren. Die Schwerpunkte liegen hier insbesondere in den Bereichen Metallisierung neuer Kunststoffe sowie neuartiger umweltfreundlicher Verfahren. Giftige sechswertige Chromverbindungen, die häufig noch für die chemische Vorbehandlung der Kunststoffe eingesetzt werden müssen, sollen dabei ersetzt werden. Am Fraunhofer IST wurden in diesem Zusammenhang Vorbehandlungsmethoden entwickelt, die ohne nasschemische Behandlungsschritte auskommen. Im Bereich neuer Kunststoffe rücken verstärkt kohlenfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) in den Blickpunkt, die trotz ihres geringen Gewichts eine enorme Festigkeit haben. Am Fraunhofer IST wurden Verfahren entwickelt, mit denen CFK-Bauteile metallisiert werden, die dann z. B. als Antennen in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden können. Metallisierte Kunststoffe werden darüber hinaus in der EMV-Abschirmung sowie als Schutz gegen elektrostatische Aufladung bzw. Blitzschutz (ESD) angewandt. 3-D-Strukturierung Zur Mikrostrukturierung werden am Fraunhofer IST Photolithographie und Laserstrukturierung eingesetzt. Mit diesen Technologien können additiv im Lift-off-Verfahren Mikrostrukturen hergestellt werden. Dabei wird die Werkstückoberfläche erst strukturiert und dann beschichtet. Im Anschluss wird die Maskierung entfernt und die Strukturen verbleiben auf der Oberfläche. Dem gegenüber kann auch subtraktiv gearbeitet werden, indem die Werkstückoberfläche im ersten Schritt vollflächig metallisiert wird und im Anschluss die Strukturkonturen eingeschrieben bzw. mittels Photolithographie und Ätztechniken eingebracht werden. So können Strukturen im Bereich von einigen Mikrometern erzeugt werden. Anwendungsgebiete sind beispielsweise die Temperatur-, Kraft-, Verschleiß-, Gas- und Biosensorik sowie auch die 3-D-MID Technologie.

4 4 Strukturierte Abscheidung Im Bereich der»3-d-mid Technologie und Makrosensorik«erfolgt über das Maskenverfahren»Aktive Maske«eine direkt strukturierte Abscheidung von Funktionsschichten. Hier können Leiterbahnbreiten von wenigstens 500 µm erreicht werden. Mit der bei Atmosphärendruck arbeitenden Plasma-Printing Technologie ist es möglich, auf Folienoberflächen kontinuierlich Strukturgrößen bis zu wenigen 10 µm selektiv zu erzeugen. Die nasschemische Metallisierung ermöglicht in einem nachfolgenden Schritt die Herstellung von Feinstleiterbahnen. Leitfähige Keramikschichten Aktuell werden am Fraunhofer IST neuartige elektrisch leitfähige Keramikschichten auf der Grundlage bestimmter Metall-Isolator-Nanolaminate entwickelt. Derartige Schichten eignen sich besonders für elektrische Kontakte, die hohen mechanischen, thermischen und korrosiven Beanspruchungen ausgesetzt sind, ein Beispiel sind Ti-Si-C-Schichten. Durch das optimierte Verfahren konnte der Kontaktwiderstand der Schichten (4-Punkt-Messung) gegenüber einer DC-Referenz halbiert werden. 1 Halbseitig geschaltete Glasscheiben am Fraunhofer IST. 2 Aktive Maske im Prozess bei der Herstellung von Mustern für die Biosensorik. 3 Flexibler Schaltungsträger, hergestellt mittels Plasma-Printing Technologie. 4 Glasröhre von BASF mit transparenter ITO-Heizleiter- Beschichtung. Anwendung: Heizung von Destillierkolonnen in der chemischen Verfahrenstechnik. Hochohmschichten Speziell für SMD-Widerstände wurden hochohmige Schichten entwickelt, die einen besonders niedrigen Temperaturkoeffizienten aufweisen (< 20 ppm/k). Materialbasis ist eine mit Sauerstoff dotierte CrSi-Schicht, die mittels Gasflusssputtern abgeschieden wird. Für Anwendungen in der Teilchenforschung wurden Hochohmschichten mit Schichtwiderständen im Bereich MΩ auf Basis von a-c:h:si:n hergestellt. Isolationsschichten Am Fraunhofer IST werden dünne elektrische Isolationsschichten auf anorganischer Basis hergestellt. Zumeist handelt es sich um Metalloxide mit Schichtdicken von einigen 100 nm bis einigen Mikrometern je nach geforderter Durchschlagfestigkeit. Diese Schichten sind besonders temperatur- und verschleißbeständig und besitzen eine höhere Wärmeleitfähigkeit als organische Schichten, so dass sie effizient in der Industrie eingesetzt werden können.

5 Glas TCO (ZnO:Al) a-si:h µc-si:h Ag-Rückkontakt 5 6 ANWENDUNGEN Leitfähige Schichten mit optischer Funktion In vielen optoelektronischen Anwendungen spielen elektrisch leitfähige Schichten bzw. solche mit elektronischer Funktion eine bedeutende Rolle. Transparente leitfähige Kontaktschichten auf Basis von n-tcos und Isolator-Metall-Isolator-Schichten sind Schlüsselkomponenten für Flachbildschirme, die Dünnschicht-Photovoltaik sowie für OLED- und LED-Lichtquellen. Optische Schichten mit einer elektrischen Zusatzfunktion sind beispielsweise Antireflex-Antistatik-Schichten, silberhaltige Schichten für Flachglas- und Automobilanwendungen (Wärme- und Sonnenschutzschichten) oder auch Schichten für Plasma-Display-Panels. In allen diesen Anwendungen kommt dem Zusammenwirken aus Schicht-, Prozess-, und Materialentwicklung in Kombination mit der entsprechenden Dünnschichtanalytik eine besondere Rolle zu. Oft muss eine Vielzahl von Anforderungen gleichzeitig erfüllt sein. Bei Außenanwendungen im Automobilbereich sind das neben der genauen Einhaltung der spektralen Eigenschaften (z. B. Restreflexion, Farbwerte, Absorption), die mechanische Stabilität, Korrosionsfestigkeit und Umformbarkeit. 5 Transmissionselektronenmikroskop-Aufnahme einer Low-e Schicht. 6 Rasterelektronenmikroskop-Aufname der Bruchkante einer a-si:h/µc-si pin-solarzelle. Die raue TCO- Schicht streut das einfallende Licht, so dass die Absorption der langwelligen Strahlung über Mehrfach-Reflexion erhöht wird. Halbleiterschichten Die industrielle Fertigung von Halbleiterschichten gewinnt durch die Dünnschicht-Photovoltaik stark an Bedeutung. Das Leistungsspektrum des Instituts umfasst verschiedene Konzepte zur kostengünstigen Fertigung von Solarzellen, unter anderem amorphes (a-si) mikrokristallines (µc-si) Silizium, das mittels Hohlkathode oder Heißdraht- CVD hergestellt wird und neue Materialien wie p-leitfähige Oxide für Solarzellen in Verbindung mit Halbleitern, bei denen statt der Elektronen bewegliche Elektronenlücken den Strom leiten. Im Bereich der transparenten Elektronik werden für den Aufbau von transparenten Dünnschichttransistoren (TFTs) halbleitende Oxide wie etwa ZnO, ZnSnO und a-igzo (amorphes Indium-Gallium-Zinkoxid) eingesetzt. Das Fraunhofer IST entwickelt dafür neue kostengünstige Sputterverfahren zur homogenen Beschichtung von großen Flächen zur Herstellung von Displays.

6 KONTAKT Fraunhofer-Institut für Schichtund Oberflächentechnik IST Bienroder Weg 54 E Braunschweig Dr. Stephan Ulrich stephan.ulrich@ist.fraunhofer.de Telefon