Unter dünnen Schichten, Dünnschicht oder Film (, auch ) versteht man Schichten fester Stoffe mit Dicken 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 vorhanden sind. Dünne Schichten werden in der Oberflächenveredelung sowie der Mikroelektronik eingesetzt.

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.

Dünne Schichten lassen sich häufig nur bis zu einer bestimmten Schichtdicke herstellen. Stärkere Schichten können so hohe Eigenspannungen entwickeln, dass sie abplatzen würden. mini|Farbeffekte und Verspiegelung durch dünne Schichten

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.). mini|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 mini|Das Metall Hafnium mit einer unterschiedlich dünnen Oxidschicht verursacht eine Farbenpracht

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.

Metallische dünne Schichten mini|Fassade des Palastes der Republik mit metallbeschichteten Thermoglasfenstern. Glatte Metallkörper, das heißt Metallkörper mit einer Oberflächenrauigkeit deutlich kleiner als die Wellenlänge des betreffenden Lichts, weisen in der Regel im VIS- und IR-Bereich einen Reflexionsgrad zwischen 92 % und 98 % auf. Diese Eigenschaft von Metallen wird ausgenutzt, um das Reflexionsvermögen von beliebigen Körpern zu verbessern, indem man diese mit einer dünnen Metallschicht beschichtet. Typisch sind hier Schichtdicken von wenigen hundert Nanometern. In diesem Bereich zeigen die Metallschichten, gebräuchlich aus Aluminium, Silber und Gold, die Eigenschaften von dicken Schichten. So lassen sich auch große und vergleichsweise leichte Spiegel kostengünstig herstellen, beispielsweise als Reflektor für Solaranlagen.

Metallische Spiegel reichen als Reflexionsschicht für Alltagsgegenstände und viele technische Anwendungen aus. Es gibt jedoch Anwendungen, bei denen solche Reflexionsverluste von 2 bis 10 % nicht mehr zu tolerieren sind, beispielsweise Lasersysteme. Um die Reflexionseigenschaften von Oberflächen nochmals zu verbessern, werden dielektrische Schichten eingesetzt. Mit Mehrfachschichten lassen sich wellenlängenselektive Spiegel (dichroitische Spiegel) herstellen, die bei ihrer spezifizierten Wellenlänge einen wesentlich höheren Reflexionsgrad besitzen als Metallschichten.

Dünnere Metallschichten bis ungefähr 50 Nanometer sind hingegen teilweise transparent. Solche Metalldampfbeschichtungen können beispielsweise auf Mehrscheiben-Isoliergläsern aufgebracht werden und dienen als sogenannte Wärmeschutzverglasung („Thermofenster“). Dabei ist die Dicke der Metallschicht so gewählt, dass sie für sichtbares Licht ausreichend transparent ist, aber langwellige Infrarotstrahlung („Wärmestrahlung“) vergleichsweise stark reflektiert. Die Metallbedampfung bewirkt zudem einen Spiegeleffekt und wird daher auch für die architektonische Gestaltung genutzt. Ein Nebeneffekt dieser Beschichtung ist, dass auch noch langwelligere Funkwellen abgeschirmt werden (vgl. Faradayscher Käfig).

Dünne Metallschichten lassen sich auch für die Herstellung von einfachen Polarisatoren nutzen. Dabei wird ein Metallfilm in eine feine Streifenstruktur auf einem Substrat abgeschieden. Die so hergestellten Drahtgitterpolarisatoren lassen nur elektromagnetische Wellen, die quer zur Streifenstruktur linear polarisiert sind, durch den Filter.

Dielektrische dünne Schichten

+ Mittlerer Brechungsindex einiger ausgewählter SchichtmaterialienSummenformel Name Brechungsindex MgF2 Magnesiumfluorid 1,38 SiO2 Siliciumdioxid 1,46 Al2O3 Aluminiumoxid 1,7 ZrO2 Zirkoniumdioxid 2,05 PrTiO3 Praseodym-Titan-Oxid 2,1 TiO2 Titanoxid 2,3 ZnS Zinksulfid 2,3

Dielektrische dünne Schichten ermöglichen deutlich mehr und spezialisiertere Anwendungen als metallische dünne Schichten oder den im vorhergehenden Abschnitt erwähnten dichroitischen Spiegel mit unterschiedlichen Reflexionsvermögen für sichtbares und infrarotes Licht, die ebenfalls auf dielektrischen Schichten basieren. Mit ihnen ist es möglich, den Reflexionsgrad zwischen 0 und 100 % auch in sehr schmalen Spektralbereichen zu kontrollieren oder die Polarisation des transmittierten bzw. reflektierten Lichts zu beeinflussen. Für optische Anwendungen steht eine Vielzahl von transparenten Materialien zur Verfügung, beispielsweise Magnesiumfluorid oder Titandioxid.

Die Eigenschaften von dielektrischen dünnen Schichten für optische Anwendungen basieren im Wesentlichen auf der Interferenz von Licht in diesen dünnen Schichten. Entscheidend hierbei ist das Auftreten von Mehrfachreflexion an den einer Grenzfläche der Vorder- und Rückseite der Schicht und die Überlagerung der Teilstrahlen bzw. Teilwellen. Diese interferieren miteinander, d. h., sie löschen sich aus oder verstärken sich. Daher ist es abhängig von der in der dünnen Schicht zurückgelegten Wegstrecke, dem Brechungsindex der Schicht und der Wellenlänge des Lichts, ob ein einfallender Lichtstrahl (im Vergleich ohne Schicht) verstärkt (im Fall konstruktiver Interferenz) oder vermindert (im Fall destruktiver Interferenz) reflektiert wird. Beide Fälle sowie deren Kombination finden in der Technik Anwendung. mini|links|Interferenzfilter mit breiten Durchlassbereichen

Bereits Einfachbeschichtungen ermöglichen eine Antireflexbeschichtung für optische Elemente aus Glas, beispielsweise kann eine dünne Schicht aus Magnesiumfluorid auf Glas den Reflexionsgrad von 4,25 % auf etwa 1,25 % senken. Durch geschickte Kombination dieser Materialien in zum Teil sehr komplexen Schichtsystemen lassen sich Oberflächen mit definiertem Brechungsindex in einem mehr oder weniger großen Spektralbereich herstellen. Auf diese Weise kann die eher unbefriedigende Reflexminderung (starke Wellenlängen- oder Einfallswinkelabhängigkeit) durch eine Einfachschicht deutlich weiter verbessert werden. In der Praxis reicht in der Regel eine Dreifachschichtung aus Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes und Dicke, die über den ganzen sichtbaren Bereich funktionieren. Durch Mehrfachschichten lassen sich auch die zuvor erwähnten dichroitischen Spiegel herstellen, beispielsweise so genannten Warm- und Kaltlichtspiegel. Warmlichtspiegel () zeichnen sich dabei durch einen hohen Transmissionsgrad für sichtbares Licht und einen hohen Reflexionsgrad für die infrarote Wärmestrahlung aus. Kaltlichtspiegel (engl. ) hingegen wirken genau entgegengesetzt, sie reflektieren sichtbares Licht gut, lassen infrarote Wärmestrahlung jedoch passieren, z. B. bei Kaltlichtspiegellampen. Weiterhin ist es durch Mehrfachbeschichtung möglich, Interferenzfilter sowie Teiler- und Einwegspiegel herzustellen. Durch die Verwendung von optisch anisotropen oder aktiven Materialien sind auch Polarisationsfilter möglich.

Die Präzision bei der Herstellung dieser Schichten muss sehr hoch sein und entscheidet, ob es zu den gewünschten Interferenzeffekten kommen kann. Weiterhin ist zu beachten, dass der Transmissions- und Reflexionsgrad eines solchen beschichteten Systems zum Teil sehr stark vom Einfallswinkel und der verwendeten Wellenlänge abhängt. Die Auswahl der jeweiligen Beschichtung hängt daher stark vom gewünschten Anwendungsbereich ab.

Oberflächenveredelung mini|Titannitrid-beschichtete Metallteile, die dünne TiN-Schicht verursacht die goldene Farbe.