The influence of energetic bombardment on the structure formation of sputtered zinc oxide films : development of an atomistic growth model and its application to tailor thin film properties

  • Der Einfluß von energetischem Ionenbeschuß auf die Strukturbildung gesputterter Zinkoxid-Schichten : Entwicklung eines atomistischen Wachstumsmodells und dessen Anwendung zur Maßschneiderung von Eigenschaften dünner Schichten

Köhl, Dominik; Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2011)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Kurzfassung

Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Untersuchung des Wachstums von Zinkoxid-Schichten (ZnO). Diesem Material ist gerade im vergangenen Jahrzehnt erhöhte wissenschaftliche Aufmerksamkeit gewidmet worden. Nicht zuletzt ist dies durch die zunehmende Anwendung als transparentes Elektrodenmaterial (ZnO:Al) in Silizium-Dünnschichtsolarzellen zurückzuführen. Ein weiteres Marktsegment in welchem Zinkoxid verwendet wird ist die Niedrigemissivitäts-verglasung. Die Funktionalität energiesparender Fenster-Verglasungen basiert auf einer hohen Reflektivität von Wärmestrahlung (IR), kombiniert mit einer hohen Transparenz im sichtbaren Spektralbereich. Entsprechende funktionale Beschichtungen basieren auf dünnen Silberschichten in Kombination mit Antireflexschichten. Maximale Effizienz, auch in der Herstellung, erfordert die Optimierung jeder einzelnen Schicht, speziell der extrem dünnen Silberschichten, welche in Schichtdicken nahe der Perkolationsgrenze abgeschieden werden. Daher werden Zinkoxid-Schichten als heteroepitaktische Pufferschicht für das Silberwachstum verwendet und somit die Nukleation und das Wachstum optimiert. Folglich ist die Optimierung dieser Zinkoxid-Pufferschicht eine wichtige Voraussetzung für die Abscheidung hochwertiger Silberschichten. Eine gemeinsame Eigenschaft der genannten Anwendungen ist daß die Effizienz des entwickelten Produkts deutlich gesteigert werden könnte, wenn die Materialeigenschaften des Zinkoxids entsprechend optimiert werden. Daher ist es erstrebenswert, ein umfassendes Verständnis für das Wachstum dünner Zinkoxidschichten zu entwickeln. Speziell muß dieses Verständnis auch die Wirkung von energetischem Ionenbeschuß der wachsenden Schicht umfassen, welcher eine inhärente Begleiterscheinung im Sputterprozeß darstellt. Dieser Prozeß wird in der Beschichtungsindustrie meist verwendet, um großflächige Substrate homogen zu beschichten. Da der Prozeß fern des thermodynamischen Gleichgewichts stattfindet, spielen kinetische Einflüsse eine große Rolle bei der Strukturbildung. Es wird jedoch speziell bei ZnO auch ein „Selbststrukturierungsmechanismus“ beobachtet, welcher einen thermodynamischen Hintergrund haben könnte und welcher zu hoher struktureller Ordnung führt. Trotzdem ist die Kristallstruktur der Schichten nicht perfekt, speziell da in der Nukleationsphase oft noch eine hohe strukturelle Unordnung beobachtet wird. Trotz zunehmender Ordnung während des weiteren Wachstums begrenzt diese ursprünglich schwache Ordnung die maximal erreichbare strukturelle Qualität der Gesamtschicht. Zudem werden speziell in der Herstellung von Niedrigemissivitätsverglasungen extrem dünne ZnO-Schichten verwendet, so daß prinzipiell schon nach abgeschlossener Perkolation des ZnO eine hochwertige strukturelle Ordnung erreicht werden muß. Folglich ist es wichtig, den Einfluß verschiedenster Prozeßparameter auf die Strukturbildung genau zu verstehen. In der Literatur zu Zinkoxid wird oft dargestellt, daß ZnO-Schichten einen deutlichen Gradient in der strukturellen Ordnung entlang der Wachstumsrichtung aufweisen, wenn auf amorphen, also nicht-epitaktischen, Substraten aufgewachsen wird, was auf die geringe Ordnung in der Nukleationsphase zurückzuführen ist. Auch der Einfluß von Sauerstoffionenbeschuß wird ausführlich diskutiert. Mögliche förderliche Einflüsse von maßgeschneidertem Ionenbeschuß auf das Schichtwachstum werden jedoch selten untersucht. Dies trifft ebenso auf den genauen Zusammenhang zwischen der Modifizierung/Schädigung durch Ionenbeschuß und der Wachstumsphase, in welcher dieser aktiv ist, zu. Diese Lücken zu schließen ist das Ziel dieser Arbeit. Es wird gezeigt werden, daß mittels eines ionenstrahlgestützen Sputterverfahrens ZnO-Schichten mit deutlich verbesserter struktureller Ordnung abgeschieden werden können. Weiter wird gezeigt werden, daß auch die typische, durch Selbststrukturierung aufgeprägte, Vorzugsorientierung der Schichten durch gezielten energetischen Sauerstoffionenbeschuß gezielt geändert werden kann, so daß Schichten aufgewachsen werden können, bei welchen die Vorzugsorientierung um 90° gegen die Substratnormale verkippt ist. Es wird ein Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen entwickelt, welches ein tieferes Verständnis der Wirkung des Ionenbeschusses ermöglicht. Es wird gezeigt werden, daß ZnO gerade während der Nukleationsphase besonders empfindlich auf Ionenbeschuß reagiert. Diese Entdeckung ermöglicht auch die Beantwortung fundamentaler Fragestellungen zur Strukturbildung von ZnO-Schichten. Es wird nicht nur gezeigt werden daß die Nukleationsphase den dominanten Einfluß auf die Strukturbildung des ZnO darstellt, sondern auch, daß äußere Einflüsse wie etwa Ionenbeschuß in späteren Wachstumsphasen vergleichsweise schwach sind.

Identifikationsnummern