Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS
Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS

Ultradünne Schichten – methodische Kompetenzen zur Analyse von Quanten-Nanolaminaten und Lithografie-Optiken

Mit seinem Fokus auf hochauflösende Dünnschichtanalytik bietet das Fraunhofer IMWS ein umfassendes methodisches Know-how zur Charakterisierung ultradünner Schichten in optischen Beschichtungssystemen. Das kann beispielsweise zur Bewertung von Nanolaminaten (quantum-well Strukturen) genutzt werden. Die Kombination von Mikrostrukturanalyse, chemischer Charakterisierung und Prozessverständnis hilft, Entwicklungszeiten zu verkürzen und Kunden maßgeschneiderte Lösungen anzubieten.

© Fraunhofer IMWS
HR-TEM-Aufnahme von ultradünnen Si-Schichten und SiO2-Schichten. Die Probe wurde vom Fraunhofer Institut für Schicht und Oberflächentechnik (Fh IST) zur Verfügung gestellt und dient dem Abgleich verschiedener Abscheideparameter mit den resultierenden Schichtdicken [K. Kreuzer, et al., “A-Si/SiO2 nanolaminates for tuning the complex refractive index and band gap in optical interference coatings,” Appl. Opt. 63, 1641–1647 (2024).].
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3D-Rekonstruktion einer ToF-SIMS-Messung der Si/SiO2-Nanolaminat-Probe. Selbst die dünnsten Schichten sind im Tiefenprofil noch getrennt darstell- und bewertbar.
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HR-STEM Hellfeld-Aufnahme von HfO2 - Schichten (nominale Dicke: 2 nm, 1 nm, 0.5 nm) getrennt durch SiO2 (Dicke ca. 5 nm). Die Probe wurde durch das Laser-Zentrum Hannover (LZH) im Rahmen eines vom BMBF geförderten Projekts (SHARP) zur Verfügung gestellt.

Analyse von Quanten-Nanolaminaten (QNLs) – High-precision Multi-Layer Architekturen

Quanten-Nanolaminate bestehen aus Abfolgen von dünnsten, abwechselnd hoch- und niedrigbrechenden Schichten mit Einzelschichtdicken von teilweise weniger als 1 nm. Sie werden eingesetzt, um Bandabstände und Brechungsindizes gezielt zu steuern und damit maßgeschneiderte optische Eigenschaften zu ermöglichen. Wichtige Anwendungsfelder sind beispielsweise die Optoelektronik (Mehrfach-Quanten-Well-Strukturen in LEDs, Laserdioden, Detektoren), Photonik und integrierte Optik (Spiegelsysteme, Filter, Resonatoren), Sensorik oder die Entwicklung von strukturierten Beschichtungen.

Auch im Bereich der Lithografie-Optiken werden durch die Verwendung sehr kurzer Wellenlängen (13,5 nm bei EUV) Schichtdicken und Schichtdickengenauigkeiten im Sub-nm-Bereich benötigt. Diese Optiken erfordern extrem dünne, homogene Schichtpakete mit atomar glatten Grenzflächen und minimalen Kontaminationen. Typischerweise bestehen sie aus Mehrlagensystemen (z. B. Mo/Si-Perioden), bei denen die Schichtdicken im Nanometerbereich exakt kontrolliert sein müssen. Bei der Qualitätskontrolle solcher Strukturen kann das Fraunhofer IMWS mit vielfältigen Methoden unterstützen.

Erkenntnisse über Schichtdicken, Homogenität, Kristallstruktur und Grenzflächenqualität

Unsere Auftraggeber können in Zusammenarbeit mit uns direkte Einsichten in Schichtdicken, Homogenität, Kristallstruktur und Grenzflächenqualität sowie Informationen zu Interdiffusion und Kontaminationen gewinnen. Unser mikrostrukturbasiertes Prozessverständnis reduziert Entwicklungszeiten und unterstützt bei der Verbesserung des Designs und der Herstellung von Nanolaminaten und Lithografie-Optiken.

So profitieren unsere Kunden vom methodischen Know-how:

  • Präzise Kontrolle der Schichtdicke und der mikrostrukturellen Qualität des Nanolaminats, Trennung der Einzelschichten und Aufdecken von Diffusionsprozessen
  • Fundiertes Verständnis der Beziehung zwischen Mikrostruktur und optischen Eigenschaften, dieses ermöglicht bessere Design-Optionen für refraktive Indexsteuerung und Bandlücken-Tuning
  • Direkt ableitbare Prozess- und Fertigungskenntnisse, die Entwicklungszyklen verkürzen

Die am Fraunhofer IMWS zur Qualitätskontrolle ultradünner Schichten eingesetzten Methoden umfassen:

  • Rasterelektronenmikroskopie inklusive präziser Querschnittspräparation durch fokussierte Ionenstrahlen (FIB-SEM), auch kombiniert mit energiedispersiver Röntgenanalytik (EDX), ermöglicht die Bildgebung von Oberflächen und Querschnitten (Cross-Section-Imaging) von Stack-Strukturen sowie chemische Kartierungen (Elementanalysen).
  • High-Resolution (Scanning) Transmission Electron Microscopy (HR-(S)TEM) liefert Aufschluss über absolute Dicken, Homogenität und Kristallinität sowie erkennbare Grenzflächenstrukturen innerhalb des Stacks und, in Kombination mit EDX, Elementverteilungen mit Sub-nm-Auflösung.
  • ToF-SIMS Tiefenprofilierung identifiziert Kontaminationen und Diffusionsprozesse.
  • Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) liefert Informationen zur chemischen Zusammensetzung und zu Bindungszuständen und ergänzt die chemische Charakterisierung der Grenzschichten.

Maßgeschneiderte Lösungen für Probenpräparation

Zudem steht umfangreiches Know-how zur individuellen Probenpräparation (Schleifen, Polieren, Einbettung, Sägen, ionenstrahlbasierte Querschnittspräparation) zur Verfügung, einschließlich FIB-basierter Probenherstellung für TEM.

Basierend auf exzellenter Ausstattung, höchster wissenschaftlicher Kompetenz und Verständnis für die Bedarfe der Industrie bieten wir eine ganzheitliche, mikrostrukturbasierte Herangehensweise: Wir liefern nicht nur Messdaten und Indizien, sondern verlässliche Aussagen über Struktur und Chemie. Ein Mehrwert für unsere Auftraggeber ist die zielgerichtete Kombination von makro- und mikroskopischen sowie chemischen Analysen, um konkrete Fragestellungen zu Nanolaminaten und Lithografie-Optiken zu beantworten – jeweils eng abgestimmt mit unseren Projektpartnern, um individuelle Prüf- und Diagnostik-Pläne zu entwickeln und schnelle, praxisnahe Ergebnisse zu liefern.

(14. Januar 2026)