Mikrostrukturierte Oberflächen
Profil des Marktbereichs
Mikrostrukturierte Oberflächen können vielfältige Funktionen erfüllen. Ein wichtiger Einsatzbereich ist das Strahlungsmanagement in optischen Systemen.
Strukturen im Mikro- oder Nanometermaßstab helfen in Solarzellen, das Licht einzufangen und optimal zu nutzen. In Kunst- oder Tageslichtelementen tragen sie zu einer verbesserten Lichtauskopplung bei oder lenken Licht in die gewünschte Richtung, in Displayanwendungen werden sie zur Entspiegelung, Polarisation, Lichtlenkung oder definierten Streuung eingesetzt.
Auch bei der Modifikation nicht-optischer Eigenschaften, etwa der Veränderung von Adhäsion, Benetzung oder Reibungszahl von Oberflächen, spielen Mikrostrukturen eine Rolle. Am Fraunhofer ISE arbeiten wir an Modellierung, Design, Erzeugung, Replikation und Charakterisierung großflächiger Mikro- und Nanostrukturen.
Projekte
Mikrosiebe
Mikrosol: Mikrostrukturen für die Effizienzsteigerung von Solarzellen
Nanovolt - Optische Nanostrukturen für die Photovoltaik
OSIRIS - Original System for Image Rendition via Innovative Screens
Nanotex - Texturierung multikristalliner Siliciumsolarzellen mittels Nanoimprint Lithographie
Hochtransparente Verglasungen für den Baubereich
Mikrofun – Entwicklung von Verglasungen mit regelbarem Transmissionsgrad für direktes und diffuses Licht
Bioinspired reversible adhesives by micro- and nanopatterning techniques
Laufzeit
1.10.2006 – 31.3.2008
Auftraggeber/Förderung
Fraunhofer-Eigenforschungsprojekt
Kooperationspartner
Fraunhofer UMSICHT
Projektinhalt
Projektziel war die Entwicklung von kostengünstigen Herstellungsverfahren für metallische Mikrosiebe. Angestrebte Durchmesser der Isoporen waren 0,75 – 5 µm. Am Fraunhofer ISE wurden Ausgangsstrukturen durch Interferenzlithographie erzeugt. Auf Basis dieser Strukturen wurden durch Schrägbedampfung bzw. Nanoimprint-Lithographie dünne metallische Gitterstrukturen hergestellt, die am Fraunhofer UMSICHT galvanisch verstärkt und charakterisiert wurden.
Mikrosol: Mikrostrukturen für die Effizienzsteigerung von Solarzellen
Laufzeit
1.06.2006 – 31.07.2007
Auftraggeber/Förderung
ISE-Eigenforschungsprojekt
Projektinhalt
Ziel des Projektes war die Entwickung eines effizienten Verfahrens für die Vorderseitentexturierung multikristalliner Silicium-Solarzellen. Das Projekt beinhaltete zwei zusammenhängende Arbeitsgebiete. Im Bereich der Theorie wurde mittels Modellierung eine Optimierung der herzustellenden Geometrie der Oberflächenstrukturierung vorgenommen (Diplomarbeit Marcel Pfeifer). Der zweite Bereich umfasste die Konzeption einer Prozesskette zur Texturierung unter Verwendung der Nanoimprint Lithographie (Diplomarbeit Hubert Hauser). Diese Technologie ermöglicht eine gezielte Strukturierung rauer Oberflächen multikristalliner Siliziumsubstrate, ohne diese zuvor aufwendig mittels chemisch-mechanischem Polieren zu glätten. Um Masterstrukturen für Stempelwerkzeuge mit einer hexagonalen Struktursymmetrie herzustellen, wurde die Dreistrahl-Interferenzlithographie erstmalig am Fraunhofer ISE untersucht.
Ergebnisse
Diplomarbeit Marcel Pfeifer
Diplomarbeit Hubert Hauser
Nanovolt - Optische Nanostrukturen für die Photovoltaik
Laufzeit
1.10.2006 – 30.9.2010
Auftraggeber/Förderung
BMBF, Projektträger Jülich (Förderkennzeichen 03SF0322F)
Kooperationspartner
Universität Halle, Universität Paderborn, Forschungszentrum Jülich, Universität Stuttgart, Universität Jena, Carl von Ossietzky Universität Oldenburg, RWTH Aachen
Projektinhalt
Das Ziel des Projektes ist die Verbesserung des Wirkungsgrades von Solarzellen und die Optimierung der Materialausnutzung durch den Einsatz nanostrukturierter optischer Materialien. Das Fraunhofer ISE übernimmt dabei das Teilprojekt „Optische Strukturen, Solarzellen und Systemintegration“. Konkret sollen optischen Strukturen für richtungsselektive Filter zur Unterdrückung der Re-Emission und für die Verbesserung von Lichtfalleneigenschaften theoretisch beschrieben, simuliert, hergestellt und charakterisiert werden. Außerdem soll die Herstellung von Solarzellen, die Systemintegration und die Analyse der Komponenten sowie Komplettsysteme sowohl im Zusammenhang mit den richtungsselektiven Filtern, als auch im Rahmen des Teilvorhabens "Verstärkung nichtlinearer Frequenz-Hochkonversion durch metallische Nanopartikel" übernommen werden.
OSIRIS - Original System for Image Rendition via Innovative Screens
Laufzeit
1.1.2007 – 31.4.2010
Auftraggeber/Förderung
Integriertes EU-Projekt (FP 6)
Kooperationspartner
Thomson (Frankreich)OSRAM Opto Semiconductors (Deutschland), Sax3D.com (Deutschland), Sypro Optics (Deutschland), Barco (Belgien), Oxxius (Frankreich), Holotools (Deutschland), Holografika (Ungarn)
Projektinhalt
Ziel des Projekts war die Entwicklung neuartiger 2D- und 3D-Projektionsdisplays. Arbeitsschwerpunkt des Fraunhofer ISE war dabei die Entwicklung und Herstellung von mikrostrukturierten Projektionsschirmen für den Einsatz in Rück- bzw. Frontprojektionsdisplays. Mit Hilfe der Interferenzlithographie erzeugen wir dazu Strukturen mit maßgeschneiderten Streueigenschaften auf Flächen des Formats 120 x 70 cm².
Nanotex - Texturierung multikristalliner Siliciumsolarzellen mittels Nanoimprint Lithographie
Laufzeit
01.10.2009 – 30.09.2012
Auftraggeber/Förderung
BMU, Projektträger Jülich (Förderkennzeichen 0325176)
Projektinhalt
Inhalt des Projektes Nanotex ist es, die Nanoimprint Lithographie (NIL) zur definierten Texturierung von Siliciumsolarzellen einzusetzen. Dazu werden zwei in ihrer Wirkweise unterschiedliche Konzepte als Modellanwendung für diese Technologie untersucht. Konkret handelt es sich dabei zum einen um eine Vorderseitentextur im Mikrometerbereich für multikristalline Siliciumsolarzellen und zum anderen um eine nanoskalige diffraktive Rückseitenstruktur. Zunächst soll die Machbarkeit dieser beiden Konzepte unter Verwendung der NIL in einfachen Laboraufbauten demonstriert, und anschliessend ein möglichst industrienaher Prozess für die NIL entwickelt werden. Dabei wird angestrebt, einen Rollen-Prägeprozess zu entwickeln, bei dem ein UV-aushärtbarer Lack strukturiert wird. Diese Art von kontinuierlichen Prägeverfahren soll es ermöglichen, anspruchsvollste Ätzmasken kostengünstig und schnell herzustellen.
Hochtransparente Verglasungen für den Baubereich
Laufzeit
1.1.2007 – 31.12.2010
Auftraggeber/Förderung
BMWi, Projektträger Jülich (Förderkennzeichen 0329800 E/F)
Kooperationspartner
Centrosolarglas GmbH & Co. KG, Fürth
Merck KGaA, Darmstadt
Fraunhofer ISC, Würzburg
Projektinhalt
Im Projekt „Hochtransparente Verglasungen für den Baubereich (HVB)“ sollen neue Produkte mit Antireflex(AR)-Glas im Bereich der Gebäude-und Architekturverglasung entwickelt werden. Mit den neuen Produkten sollen energetische Verbesserungen der Gebäudehülle und verbesserte Solarenergienutzung über Fassade und Fenster erreicht werden. Für diese Anwendungen sind besonders stabile AR-Schichten auf der Basis nanoporöser SiO2-Schichten zu entwickeln. Neben Wärmeschutz-Isolierverglasungen werden auch Glas-Folien-Kombinationen mit AR-Glas untersucht. Das Fraunhofer ISE modelliert und charakterisiert in diesem Vorhaben AR-Schichtsysteme und führt anwendungstechnische Untersuchungen an AR-Schichtsystemen und an kompletten Verglasungen mit AR-Schichten durch. Außerdem beschäftigen wir uns mit den licht- und energietechnischen Kenndaten solcher Systeme und führen beschleunigte Alterungstests durch.
Mikrofun – Entwicklung von Verglasungen mit regelbarem Transmissionsgrad für direktes und diffuses Licht
Laufzeit
01.09.2003 – 31.01.2007
Auftraggeber/Förderung
BMWi, Projektträger Jülich (Förderkennzeichen 0327312 A)
Kooperationspartner
Holotools, Tesa, Interpane, Fresnel Optics, Hüppelux
Projektinhalt
Ziel dieses Projektes war es, durch die Verbindung neuer Beschichtungs- und Strukturierungstechnologien funktionale Verglasungen und Fassadenelemente zu entwickeln, die den hohen Anforderungen an sommerlichen Überhitzungsschutz und ganzjährigen Blendschutz bei gleichzeitig hoher Tageslichtausleuchtung genügen. Gleichzeitig soll die Durchsicht weitgehend erhalten bleiben. Die zu entwickelnden Systeme sollen einen Beitrag zur Primärenergieeinsparung im Gebäudebereich liefern, bei gleichzeitig erhöhtem Komfort für die Nutzer. Aufgaben des Fraunhofer ISE waren die Optimierung der Strukturen und Beschichtungen und die Entwicklung von Produktionstechniken.
Ergebnisse
Projektbericht: Mikrofun2_Abschlussbericht (PDF)
Bioinspired reversible adhesives by micro- and nanopatterning techniques
Laufzeit
1.1.2008 – 31.12.2010
Auftraggeber/Förderung
VolkswagenStiftung
Kooperationspartner
Leibniz-Institut für Neue Materialien (INM), BASF AG
Projektinhalt
Geckos, Spinnen oder Fliegen können senkrechte Wände oder Decken entlang gehen ohne herunterzufallen. Ursache für diese besonders große Haftkraft ist, dass die Füße dieser Tiere mit sich immer weiter aufspaltende Härchen bedeckt sind, was die Zahl der Kontaktpunkte im Vergleich zu einer planen Oberfläche deutlich erhöht. Das führt zu einer deutlich stärkeren Adhäsion („Gecko-Effekt“). Dieser Effekt konnte bisher schon im Labormaßstab nachgebildet werden. Ziel des Projekts ist es nun, das Verständnis des „Gecko-Effekts“ zu vertiefen und auf dieser Basis Verfahren zur Herstellung adhäsiver Oberflächen im Produktionsmaßstab zu entwickeln. Aufgaben des Fraunhofer ISE sind die Erzeugung von Urformen für „Gecko-Strukturen“ durch Interferenzlithographie sowie die Entwicklung von Replikationsprozessen für diese Strukturen.
Anwendungen
Strahlungsmanagement für Photovoltaik-Systeme
Strahlungsmanagement für Displays
Nicht-optische Anwendungen
Effiziente Lichtausnutzung in Beleuchtungsanwendungen
Strahlungsmanagement für Photovoltaik-Systeme
Für zunehmend dünnere Solarzellen nimmt die effektive Nutzung von Photonen eine immer wichtigere Bedeutung ein. Eine solcher Art effiziente Photonenausbeute wird häufig mit den Begriffen „Lichteinfang“ bzw. „Light Trapping“ oder „Photonenmanagment“ bezeichnet. Ziel dieser Techniken ist es, Lichtwege in der Zelle zu verlängern, Photonen innerhalb des Solarzellenkörpers einzufangen oder die Strahlungsintensität gezielt in bestimmten Bereichen der Solarzelle zu erhöhen. Dadurch vergrößert sich die effektive Dicke der Solarzelle und entsprechend auch ihre Absorption und ihr Wirkungsgrad.
Bekannt und bewährt in diesem Zusammenhang sind Konzepte wie die Vorderseitentextur oder die Antireflexschicht. Die Vorderseitentextur verringert die Gesamtreflexion der Solarzelle, da das Licht mehrfach in der Textur reflektiert wird, und sie verlängert den Lichtweg innerhalb der Solarzelle. Für multikristalline Silicium-Solarzellen arbeiten wir an der Entwicklung effizienter Texturierungsverfahren auf Basis der Nanoimprint-Lithographie. Die Antireflexschicht sorgt über einen Interferenzeffekt für eine verringerte Oberflächenreflexion der Solarzelle und ermöglicht so, dass mehr Licht in die Zelle hineingelangen kann. Häufig wird eine Kombination dieser Konzepte verwendet. Entspiegelungsschichten und Texturen untersuchen wir nicht nur für Solarzellen, sondern auch für Modulverglasungen.
Weitere Konzepte in diesem Bereich sehen die Verwendung von Beugungsgittern auf der Zellenrückseite vor, welche das Licht in eine Richtung ablenken sollen, die möglichst parallel zur Rückseite ist. Ein anderes Konzept zielt auf die Verwendung photonischer Strukturen, um den Winkelbereich, in den die Solarzelle Strahlung abgeben kann, einzuschränken. Neben solchen winkelselektiven Filtern untersuchen wir auch spektral selektive photonische Strukturen, die nur Strahlung in bestimmten Wellenlängenbereichen transmittieren. Solche Filter können z.B. bei PV-Systemen mit mehreren pn-Übergängen oder bei der Ausnutzung von Frequenzkonversion eingesetzt werden.
Strahlungsmanagement für Displays
Anwendungen mikrostrukturierter Komponenten in Displays sind Entspiegelung, Lichtlenkung, definierte Lichtstreuung, Unterdrückung von Pixeln, Polarisation, Lichtauskoppelung und Einkopplung von Tageslicht. Im Folgenden sind Beispiele für optische Funktionen genannt, für die unsere Strukturen eingesetzt werden können.
Antireflex-Oberflächen (AR)
Mottenaugenstrukturen sind periodische Oberflächenstrukturen, mit einer Periode, die unterhalb der Wellenlänge des Lichtes liegt. Dadurch wirkt die modulierte Oberfläche auf einfallende Wellen wie ein kontinuierlicher Übergang vom Brechungsindex der Luft zu dem des Materials ( effektiver Brechungsindexgradient ), was eine Reduktion der Reflexion zur Folge hat. Diese Technologie eignet sich besonders zur Entspiegelung von Kunststoff-Oberflächen (z.B. Folien oder Spritzguss-Teile).
Kombination aus Antireflex- und Antiglare-Oberflächen
Durch eine Entspiegelung wird der Display-Kontrast erhöht, störende Spiegelbilder von Konturen können aber dennoch sichtbar sein. Antiglare-Oberflächen (AG) unterdrücken störende Spiegelbilder, verbessern aber nicht den Kontrast. Mit der Kombination aus Mottenaugen- und Antiglare-Strukturen erreicht man den doppelten Vorteil aus hohem Kontrast und unterdrückten Spiegelbildern. Wenn die Urform einmal hergestellt ist, kann eine solche multifunktionale Oberfläche in einem Prozessschritt kostengünstig ins Produkt gebracht werden.
Diffusoren
Diffusoren zur gezielten Lichtverteilung können zahlreiche Funktionen in Displays erfüllen: z.B. Antiglare-Oberflächen, Top-Diffusoren, Bottom-Diffusoren für Flachbildschirme oder Schirme mit anisotroper Streucharakteristik für Projektionsdisplays. Für eine Vielfalt verschiedener Einsatzzwecke können Diffusoren durch Interferenzlithographie maßgeschneidert werden. Auch Kombinationen aus Diffusoren und anderen optischen Bauteilen sind möglich, um komplexe Lichtverteilungen zu ermöglichen.
Lichtlenkstrukturen
Lichtlenkung, Kollimation, Lichteinfang, winkelselektive Transmission: dafür eignen sich prismatische oder gewölbte Mikrostrukturen mit Dimensionen zwischen 10µm und 100µm. Um sie herzustellen, wurden spezielle Interferenzlithographie-Prozesse für hochaufbauende Photoresisttypen (z.B. AZ®9260 oder NANO™ SU-8) entwickelt. Die optische Funktion solcher Strukturen, die im Übergangsbereich zwischen geometrischer und Wellenoptik liegen, modellieren wir mit theoretischen Ansätzen basierend auf Strahlverfolgung und rigoroser Beugungstheorie .
Drahtgitterpolarisatoren
Mit metallischen Nanodrähten, deren Abstand im Subwellenlängenbereich liegt, können hocheffiziente Polarisatoren realisiert werden, die in Sperr- und Durchlassrichtung eine sehr geringe Absorption aufweisen. Mit wellenoptischen Simulationen führen wir Optimierungsrechnungen für Drahtgitterpolarisatoren durch. Experimentell arbeiten wir an Strukturierungs- und Beschichtungsverfahren, mit denen solche Polarisatoren hergestellt werden können.
In der Natur gibt es strukturierte Oberflächen mit besonderen Eigenschaften, die auch technisch interessant sind. Neben optischen Funktionen, wie z.B. bei Mottenaugenstrukturen , handelt es sich hierbei zum Beispiel um adhäsive Oberflächen, die an den Füßen vieler Insekten und von Geckos beobachtet wurden, um selbstreinigende Oberflächen, wie sie bei Lotusblättern vorkommen, oder um lamellenartige Oberflächenprofile, die nach dem Vorbild der Haifischhaut die Reibung in Fluiden verringern.
Die Adhäsion beim Gecko-Effekt basiert auf sich immer weiter verzweigenden Härchen, die sich optimal an eine Oberfläche anlegen können. Dort bewirken Van-der-Waals Kräfte, obwohl sie relativ klein sind, eine makroskopische Adhäsion. Im Projekt Bioinspired reversible adhesives entwickeln wir Strukturierungsverfahren auf Basis der Interferenzlithographie und der Mikroreplikation , die solche adhäsiven Oberflächen erzeugen können. Um die komplexe Geometrie mit zwei Hierarchieebenen und Hinterschnitten zu erreichen, werden mehrere Belichtungs- und Belackungsschritte angewendet. Dadurch können viele Kontaktpunkte erreicht werden, die der Funktion des natürlichen Vorbilds nahe kommen.
Auch bei den Lotus-Strukturen handelt es sich um hierarchische Geometrien, die aber im Gegensatz zu den Gecko-Strukturen möglichst kleine Kontaktpunkte aufweisen sollen. Dazu werden möglichst spitze Säulen hergestellt, die zusätzlich in ihrer Höhe moduliert sind. Dadurch perlt Wasser von der Oberfläche gut ab und nimmt dabei Verunreinigungen auf, die es wegspült.
Neben diesen bioinspirierten Oberflächen entwickeln wir auch Strukturen für weitere nicht-optische Anwendungen. In der Umwelt- und Medizintechnik oder in der Getränkeverarbeitung gewinnt die Mikrofiltration eine immer größere Bedeutung. Dafür werden Mikrosiebe mit einer sehr homogenen Porengröße im Mikrometer-Bereich benötigt (Isoporen). Als Ausgangsbasis für eine galvanische Herstellung solcher Siebstrukturen haben wir in einem Fraunhofer-internen Projekt interferenzlithographisch erzeugte Strukturen untersucht.
Effiziente Lichtausnutzung in Beleuchtungsanwendungen
Zur effizienten Auskopplung von Licht, z.B. aus LEDs oder OLEDs, können Beugungsgitter, Mikrolinsenarrays oder Diffusorstrukturen verwendet werden. Wir entwerfen geeignete Geometrien und entwickeln Verfahren, um Auskoppelstrukturen zu erzeugen und zu replizieren.
Die Lichtverteilung von Leuchten muss verschiedenen Ansprüchen gerecht werden: gezielte Raumausleuchtung, Blendfreiheit, effiziente Lichtausnutzung. Diese Ziele können durch den Einsatz von Diffusoren mit maßgeschneiderter Streuwinkelverteilung erreicht werden. Wir entwickeln Verfahren, solche Diffusoren durch die Mikrostrukturierung von Scheiben oder Folien zu realisieren. Mit der Interferenzlithographie ist es möglich, Profilgeometrien zu erzeugen, mit denen auch sehr anspruchsvolle Lichtverteilungen erreicht werden können.
Herstellungsverfahren
Wir erzeugen maßgeschneiderte Mikro- und Nanostrukturen nahtlos auf Flächen bis 1,2 x 1,2 m² durch Interferenzlithographie. Je nach Wunsch sind die Strukturdetails nur 100 nm oder auch 100 µm klein.
Die Strukturen können periodisch oder stochastisch angeordnet sein, die Strukturprofile können parabolisch, binär oder prismatisch gefertigt werden. Zudem können unterschiedliche Strukturgeometrien und –dimensionen miteinander in einer Urform kombiniert werden.
Durch Replikationsprozesse können aus den Urformen kostengünstig strukturierte Massenprodukte, z.B. für die Solar-, Beleuchtungs- oder Displayindustrie, hergestellt werden.
Mikroreplikation
Reaktives Ionenätzen
Interferenzlithographie
Nanoimprint-Lithographie
Mikrostrukturen sind wirtschaftlich besonders interessant, wenn sie in einem Mikroreplikationsverfahren in großer Stückzahl kostengünstig produziert werden können. Dazu werden Prägestempel verwendet, die z.B. durch galvanische Abformung hergestellt werden.
Am Fraunhofer ISE können wir Mikro- und Nanostrukturen durch thermoplastisches Heißprägen und durch reaktive UV-Replikation abformen.
Eine zusätzliche Möglichkeit stellt der Einsatz von Silikonmaterialien dar, mit welchen wir Mikro- und Nanostrukturen direkt ab Photoresist oder ab einem metallischen Werkzeug in flexible, transparente oder opake Materialien replizieren können („Soft Embossing“). Strukturen in solchen elastischen Materialien ermöglichen besondere Oberflächenfunktionalitäten (z.B. den „Gecko-Effekt“ ) oder können für weitere Prozessschritte verwendet werden (z.B. in der Nanoimprint-Lithographie ).
Beim Reaktiven Ionenätzen wird mittels Hochfrequenz in einem Vakuum über ein Ätzgas ein Plasma zwischen zwei Elektroden gezündet. Das dem Plasma ausgesetzte Substrat wird durch Ionenbeschuss sowie, je nach Ätzgas, durch chemische Reaktionen geätzt.
Es kann auch eine chemische Reaktion des Substrats mit dem Ätzgas stattfinden. Diese beiden Ätzanteile lassen sich gezielt zur Steuerung des Ätzvorgangs nutzen. Zum Beispiel kann so ein mehr oder weniger stark gerichteter Prozess eingestellt werden.
Über die Wahl des Ätzgases kann eine Selektivität des Ätzvorganges zwischen Substrat- und Ätzmaskenmaterial erreicht werden. Diese Selektivität wird zur Übertragung von Mikrostrukturen in Substrate aus diversen Materialien genutzt (z.B. zur Texturierung von Silicium durch Nanoimprint-Lithographie ).
Bei der Interferenzlithographie werden ultraviolette Laserstrahlen geteilt, aufgeweitet und überlagert. Im Überlagerungsbereich entsteht ein Hell-Dunkel-Muster, das sogenannte Interferogramm. Damit wird Photoresist belichtet und bei der nachfolgenden Entwicklung in Abhängigkeit von der Belichtungsdosis abgetragen, so dass ein Oberflächenrelief entsteht.
Die hergestellten Strukturen dienen als Urform und bilden die Grundlage für darauffolgende Mikroreplikationsverfahren unterschiedlichster Art.
Am Fraunhofer ISE können wir mit dieser Technologie periodisch oder stochastisch angeordnete, parabolische, binäre oder prismatische Strukturen auf Flächen von bis zu 1,2 x 1,2 m² erzeugen. Die Strukturelemente sind je nach Wunsch nur 100 nm oder auch 100 µm klein.
Eine besonders große Strukturvielfalt ist dadurch möglich, dass wir durch Mehrfachbelichtungen unterschiedliche Strukturgeometrien und -dimensionen miteinander in einer Urform kombinieren können.
Bei der Nanoimprint Lithographie (NIL) handelt es sich um eine dem Heissprägen verwandte Technologie, bei der ebenso ein Polymer durch mechanisches Prägen strukturiert wird.
Dabei kann das Polymer ein Thermoplast oder ein UV-vernetzender Photoresist sein. Diese Technologie kann zur Strukturierung von hochaufgelösten Ätzmasken in einem Prozess mit hohem Durchsatz eingesetzt werden.
Neben einer strukturtreuen Abformung einer Masterstruktur liegt hierbei das Augenmerk auf einer homogenen und möglichst geringen Restlackdicke. Um dies auf großen Flächen zu gewährleisten verwenden wir flexible Stempelmaterialien, so dass der Stempel sich an Welligkeiten oder Unebenheiten der Substratoberfläche anpassen kann.
Charakterisierungsverfahren
Wichtigster Aspekt bei der Charakterisierung von Mikro- und Nanostrukturen ist die Vermessung der Strukturgeometrie (mikroskopische Verfahren). Für optisch-funktionale Strukturen ist darüber hinaus die Charakterisierung der optischen Eigenschaften notwendig. Für eine möglichst umfassende Bewertung strukturierter Proben ist typischerweise eine Kombination verschiedener Messverfahren erforderlich.
Photogoniometrie
Spektrale Ellipsometrie
Lichtmikroskopie
Spektrometrie
Rastersondenmikroskopie
Rasterelektronenmikroskopie
Bestimmung der Brechzahl von Materialien
Die Winkelverteilung von Licht, das an einer Probe reflektiert, gestreut oder gebeugt wurde, können wir mit einem Goniometeraufbau auf einem optischen Tisch vermessen. Als Lichtquelle verwenden wir wahlweise Weisslicht oder Laserlicht verschiedener Wellenlängen, um wellenlängenabhängige Effekte zu vermessen.
Der Detektorwinkelscan erfolgt in der Tischebene, in der auch der einfallende Strahl liegt. Neben dem Detektorarm ist auch der Probentisch drehbar, so dass wir den Einfallswinkel auf die Probe variieren können.
Für winkel- und spektralaufgelöste Messungen steht uns auch ein kombinierter Photogoniometer- und Spektrometer-Aufbau zur Verfügung.
Mit spektraler Ellipsometrie (SE) können die optischen Eigenschaften von Materialien anhand der Änderung des Polarisationszustandes von Licht ermittelt werden. Wir verwenden dazu ein spektrales Ellipsometer von J.A. Woollam, Typ M-2000F, mit einem Messbereich von 250 - 1000 nm (entspr. 1,24 – 5 eV). Die eigentliche Messung geht bei der SE sehr schnell (Aufnahmedauer für ein gesamtes Spektrum: 20 ms), der kritische Punkt ist die Justage und die indirekte (modellbasierte) Auswertung der experimentellen Daten. Hierzu muss ein optisches Strukturmodell erstellt werden, dessen Parameter durch eine Fitroutine an das gemessene Spektrum angepasst werden. Für die Auswertung der Messdaten kommen die kommerziellen Softwarepakete W-VASE-32 und Complete EASE zum Einsatz.
Bei einfachen Schichtsystemen werden Schichtdicken und optische Eigenschaften (n(λ), k(λ)) mit einer Genauigkeit von besser als 2% ermittelt. Abhängig vom zu untersuchenden Material können auch weitere Eigenschaften, wie z.B. Kristallinität oder Porosität, bestimmt werden.
Mit einem Lichtmikrosop von Carl Zeiss mit einer Vergrößerung von 1000x können Strukturen bis zu 800nm Größe abgebildet werden. Es stehen verschiedene Kontrastverfahren zur Verfügung.
In Auf- und Durchlicht sind Hell- und Dunkelfeld sowie Polarisationskontrast möglich. Zusätzlich gibt es im Auflicht noch die Möglichkeit des differenziellen Interferenzkontrastes.
Über Fokuspunktverschiebungen können Höhendifferenzen im Bereich von 5µm gemessen
Fourier-, Diodenarray- und Zweistrahlgitterspektrometer werden am Fraunhofer ISE eingesetzt, um Materialien über den solaren Spektralbereich (300 - 2500 nm) optisch zu charakterisieren.
Die Spektrometer sind nicht nur mit kommerziell erhältlichem Zubehör, sondern auch mit am Fraunhofer ISE entwickelten Aufbauten ausgestattet, die auch Messungen an sehr großen Proben erlauben. Mit Ulbrichtkugeln können Transmissions- und Reflexionsspektren für folgende Konfigurationen vermessen werden: gerichtet-hemisphärisch, gerichtet-gerichtet, gerichtet-diffus. Diese Messungen können bei nahezu senkrechtem Lichteinfall sowie mit variablem Einfallswinkel durchgeführt werden.
Wir verwenden für die Charakterisierung von Mikro- und Nanostrukturen das Rastersonden- / Rasterkraftmikroskopiesystem D3100 Nanoscope IV von Veeco. Dieses Tool ermöglicht uns zerstörungsfreie topographische Analysen von bis zu 100 x 100 µm² großen Flächen.
Die vertikale Auflösung reicht bis in den sub-Nanometer Bereich hinab. Außerdem stehen vielfältige Möglichkeiten zur Messung weiterer physikalischer oder chemischer Oberflächeneigenschaften (z.B. Leitfähigkeit, Oberflächenpotenzial, mechanische Größen).
Mit dem Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop können die Topographie sowie der Materialkontrast von mikrostrukturierten Oberflächen mit einer Auflösung von ca. 2,5 nm sichtbar gemacht werden.
Dazu werden die Proben mit einem fokussierten Elektronenstrahl abgerastert und die emittierten Primär- oder Sekundärelektronen, die Informationen über die Probe tragen, mit einem Detektor aufgenommen.
Bestimmung der Brechzahl von Materialien
Zur Bestimmung der Brechzahl von Materialien und dünnen Schichten setzen wir temperatur- und wellenlängenabhängige Abbé-Refraktometrie, spektrale Ellipsometrie und Reflexions- und Transmissionsmessungen ein.
Bei schwach absorbierenden Medien ist es vorteilhaft, ellipsometrische Daten und Transmissionsmessungen gleichzeitig für das optische Modell zu verwenden.
Modellierung und Design
Um die optischen Eigenschaften mikro- und nanostrukturierter Materialien zu verstehen und Komponenten oder Systeme mit maßgeschneiderten Funktionalitäten zu entwerfen, setzen wir verschiedene Modellierungswerkzeuge ein, die das ganze Spektrum optischer Effekte von der Wellen- bis zur Strahlenoptik abdecken. Entscheidend ist dabei, Möglichkeiten und Grenzen der einzelnen Modellierungsansätze zu kennen und für die jeweilige Aufgabenstellung das richtige Werkzeug bzw.die geeignete Kombination von Simulationsverfahren auszuwählen.
Strahlverfolgung
Streutheorien
Dünfilmoptik
Effektiv-Medium-Theorien
Rigorose Beugungstheorie
Skalare Beugungstheorie
Bandstrukturrechnungen für Photonische Kristalle
Mit unseren validierten Strahlverfolgungswerkzeugen können wir die optischen Eigenschaften von nahezu beliebigen Produkten vorhersagen. Dadurch lassen sich neue Produktvarianten schon in einem sehr frühen Entwicklungsstadium hinsichtlich ihrer optischen Lichtlenkfunktion zuverlässig bewerten.
Aufbauend auf dem kommerziellen Strahlverfolgungs-Programm Opticad ® haben wir über Jahre hinweg Simulationswerkzeuge erstellt, die es uns erlauben, Modelle für optische Elemente oder Fassadensysteme in großer Vielfalt zu erstellen und ihre optische Funktion eingehend zu untersuchen.
In Kombination mit unserem Know-How, z.B. im Bereich der Bewertung von Sonnenschutzsystemen oder lichtlenkender Strukturen, kann das Verhalten auch im Kontext des Einsatzgebietes (Gebäude/Fassade, Verglasung, Leuchten, Displays und photovoltaische Systeme) bewertet werden. Für komplexere Strukturen oder Elemente ist eine Schnittstelle zu CAD gegeben.
Inhomogenitäten des Brechungsindex führen zur Streuung von Licht. Diese Inhomogenitäten können Strukturen oder Rauheiten an einer Oberfläche sein, oder auch Teilchen oder Einschlüsse im Volumen eines Materials. Beide Fälle lassen sich mit Modellen beschreiben und entsprechend numerisch simulieren. Dabei wird Partikelstreuung oft durch die Mie-Theorie der Streuung an kugelförmigen Teilchen approximiert.
Die Streuung an Core-Shell-Teilchen oder komplexen Strukturen wie fraktalen Clustern von kugelförmigen Primärteilchen können wir ebenfalls modellieren. Die Ausbreitung von gestreutem Licht in streuenden Medien und mehrschichtigen Systemen bilden wir mit N-Fluss- oder Monte Carlo-Modellen nach.
Für die zielgerichtete Entwicklung dünner optischer Schichten und ihrer Kombination in Mehrschichtsystemen ist eine Kenntnis der optischen Materialeigenschaften erforderlich, wie sie sich besonders im komplexen Brechungsindex ausdrücken.
Dieser kann am Institut für Einzelschichtsysteme durch spektrale Messung von Reflexion und Transmission aber auch durch Ellipsometrie bestimmt werden. Mit dieser Information können dann optische Modellrechnungen insbesondere für die Entwicklung und Optimierung von Mehrschichtsystemen durchgeführt
Die optischen Eigenschaften inhomogener Medien, wie z.B. der Mischung von zwei Materialien, können wie ein homogenes Medium betrachtet werden, wenn die Gebiete, die nur aus einem Material bestehen, so klein sind, dass sie nicht zu einer Streuung des Lichtes führen.
Effektiv-Medium-Theorien werden eingesetzt, um auf physikalischer Grundlage eine Mischungsformel für den effektiven Brechungsindex eines solchen Mediums zu finden. Die Mittelung kann z.B. über die Dipoleigenschaften der Komponenten oder über die elektrischen Felder und Polarisationen durchgeführt werden.
Der Einsatz der am besten geeigneten Theorie erfordert Erfahrung. Mit den gewonnen effektiven Brechungsindizes können auch Dünnfilmsysteme , bei denen die Mischung der Komponenten variiert, modelliert und optimiert werden. Dies sind z.B. Gradientenschichten wie wellenlängen-selektive Solarabsorberschichten.
Mit rigoroser Beugungstheorie können die Eigenschaften periodisch und aperiodisch modulierter Materialien wellenoptisch modelliert werden.
Die möglichen Strukturdimensionen erstrecken sich vom Subwellenlängenbereich bis zum 100-fachen der Wellenlänge. Die Stärke dieser Modellierung ist die exakte Simulation von Strukturen und Effekten, die mit geometrischer Optik nicht mehr korrekt beschrieben werden können.
Am Fraunhofer ISE stehen Codes basierend auf der RCWA (Rigorous Coupled Wave Analysis) und der Integralmethode zur Verfügung. Es können zwei- und dreidimensionale Probleme berechnet werden. Als Ausgabe sind neben Beugungseffizienzen auch Nahfeldamplituden und Poynting-Vektoren möglich.
Skalare Beugungstheorien eignen sich besonders für die effiziente Modellierung von Materialien, an deren Oberfläche die einfallende Strahlung eine geringe ortsabhängige Phasenverschiebung erfährt (z.B. Oberflächenstrukturen mit kleinem Aspektverhältnis).
Der Anwendungsbereich dieses Näherungsverfahrens, das zwar die Wellennatur des Lichts, nicht aber die Polarisation berücksichtigt, erstreckt sich auf Materialien, die in ein oder zwei Dimensionen periodisch oder stochastisch moduliert sind.
Bandstrukturrechnungen für Photonische Kristalle
Ein Charakteristikum photonischer Kristalle ist die Existenz einer photonischen Bandlücke.
In Anlehnung an die elektrische Bandlücke in Halbleitermaterialien beschreibt die photonische Bandlücke einen durch bestimmte Wellenlänge und Ausbreitungsrichtungen definierten Bereich, für den Photonen innerhalb des photonischen Kristalls nicht existieren können.
Eine Konsequenz hieraus ist beispielsweise, dass solche Kristalle entsprechende Photonen, die von außerhalb auf ihn treffen, mit hoher Effizienz reflektieren. Die photonische Bandlücke kann mit Hilfe des Programms MPB (MIT Photonic Bands) berechnet werden, welches am MIT entwickelt wurde.
