Influence of reactive sputtering process parameters on the structure and properties of TiO 2 thin films

  • Einfluss von reaktiven Sputter-Prozessparametern auf die Struktur und Eigenschaften von dünnen TiO2-Schichten

El-Hamshary, Azza Amin; Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2011)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Kurzfassung

In der jüngsten Vergangenheit haben dünne Titandioxid-Schichten (TiO2) erhebliche Aufmerksamkeit auf sich gezogen: Sie wurden zu einem wichtigen Bereich in der Forschung seitdem die Möglichkeit der Wasseraufbereitung durch Photokatalyse an der TiO2-Oberfläche entdeckt wurde. TiO2 ist ein Oxid mit einer weiten Bandlücke, das sich durch hohe chemische Stabilität, mechanische Härte und optische Durchlässigkeit, wie auch durch einen hohen Brechungsindex auszeichnet. Deshalb wird es in einer Vielzahl von Anwendungen, etwa in der Solarindustrie, in optischen Beschichtungen und als Schutzschichten verwendet. Dünne TiO2-Schichten können in zwei kristallinen Strukturen, Anatas und Rutil, kristallisieren. Anatas ist bei Raumtemperatur metastabil, während Rutil die thermodynamisch stabile Phase darstellt. Jede Phase ist durch ihre spezifischen physikalischen Eigenschaften und Anwendungen ausgezeichnet. Rutil zum Beispiel ist bekannt für seine vergleichsweise hohe Massendichte (4,23 g/cm3) und einen hohen Brechungsindex von bis zu 2,75 bei 589 nm. Daher ist es bestens geeignet für Anwendungen wie Antireflex-Beschichtungen. Anatas wiederum wird durch eine sehr ausgeprägte photokatalytische Aktivität in Kombination mit Hydrophobie charakterisiert. Folglich werden Oberflächen damit beschichtet, um z.B. einen Selbstreinigungseffekt einzustellen, Beschlag zu verhindern oder eine antibakterielle Wirkung zu erzielen. Es wird auch für die Wasser- und Luftreinigung eingesetzt. In dieser Arbeit wurde ein atomistisches Verständnis des Wachstums von dünnen TiO2-Schichten unter dem Einfluss von verschiedenen Sputter-Prozess-Parametern entwickelt. Es hat sich gezeigt, dass die gezielte Einstellung der Struktur der reaktiv gesputterten TiO2-Schichten durch die Steuerung der Sputter-Prozess-Parameter möglich ist. Verschiedene Sputtertechniken wie DCMS, IBAS und HiPIMS wurden verwendet, um TiO2-Filme herzustellen. Diese Filme zeigen zwei kristalline Strukturen, Anatas und Rutil. Die Beschichtung wurde unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt. Variiert wurde z. B. der energetische Beschuß der Schichten, sowie der Sauerstoff-Partialdruck und die Schichtdicke. Es hat sich herausgestellt, dass die Bildung der einzelnen Phasen durch spezifische Parameter kontrolliert wird. Zum Beispiel fördert der energetische Beschuss das Wachstum der Rutil-Struktur. Das Wachstum von Anatas findet bevorzugt bei fehlenden oder sehr schwachem Ionenbeschuss statt. Zusätzlich wurde die Bildung von Anatas oft für Abscheideprozesse bei hohem Sauerstoff-Partialdruck oder für dicke Schichten gefunden, während andernfalls eine Rutil-Struktur ausgebildet wurde. Das zusätzliches Heizen des Substrats begünstigt ebenfalls die Bildung von Anatas. Es hat sich gezeigt, dass energetischem Beschuss eine dominierende Rolle in der Strukturbildung zukommt. Es ist erwiesen, dass der Beschuss der wachsenden Schicht mit hochenergetischen Sauerstoff-Ionen, welche typisch für den reaktiven Sputter-Prozess sind, das Wachstums der Rutil-Struktur fördert. Dies wurde durch eine Untersuchung von Schicht-Profilen aus einer Beschichtung mit neuen und alten Targets gezeigt, da die Verteilung des Sauerstoff-Ionen-Beschusses entlang des Substrats abhängig vom Alter des Targets ist. Ein weiterer Beweis stammt aus der Untersuchung von Schichten die in einem HiPIMS-Prozess abgeschieden wurden, bei welchem die hochenergetischen negativen Sauerstoff-Ionen die dominante Spezies bei der Strukturbildung darstellen. Darüber hinaus sind reine Rutil-Schichten auch unter zusätzlichem Ionenbeschuss in einem Ionen-unterstützten DCSputter-Prozess abgeschieden worden. Diese Ergebnisse zeigen auch, dass der Ionenbeschuß selektiv die Bildung der Anatas-Phase unterdrückt. Die Untersuchung der Strukturbildung unter dem Einfluss von O+- und Xe+-Ionen-Beschuss zeigte auch, dass die Spezies der Ionen keine Rolle in der Strukturbildung spielt. Die Verringerung der Intensität des energetischen Sauerstoff-Ionen-Beschusses vom Sputtertarget hat die Bildung einer reinen Anatas-Struktur ermöglicht. Es wurde auch gezeigt, dass der Ionenbeschuss einen starken Einfluss auf die Oberflächentopographie hat. Zwei verschiedene Oberflächen-Features können deutlich unterschieden werden und repräsentieren vermutlich jeweils die Kornstruktur des Rutil und Anatas. Es wurde auch gezeigt, dass reine Rutil-Schichten welche in einem HiPIMS-Prozess abgeschieden wurden thermisch stabil sind. Die Einschlag der hochenergetischen Sauerstoff-Ionen in die wachsende Schicht haben die Bildung von mechanischer Druckspannung zur Folge, welche, wie der Beschuß auch, von verschiedenen Prozessparametern beeinflusst wird. Die Filme zeigen eine inhomogene Verteilung der Rutil- und Anatas-Phasen mit der Erhöhung der Schichtdicke. Rocking-Curve-Röntgenmessungen bei kleinem Einfallswinkel haben gezeigt, dass die Rutil-Phase am Substrat-Schicht-Interface wächst. Mit zunehmender Schichtdicke überwuchert die Anatas-Phase die Rutil-Phase. Erste Beweise für dies wurden in einer Simulation der Rocking-Curve-Messungen für verschiedene Schicht-Strukturen gefunden. TEM-Messungen bestätigten schließlich dieses postulierte Wachstumsverhalten. Die Messungen zeigen, dass das Wachstum der Rutil-Phase in der Regel an der Substrat-Grenzfläche beobachtet werden kann. Wenige Anatas-Körner keimen an der Grenzfläche und überwuchern letztlich die Rutil-Körner in konischer Form. Untersuchungen der Photoleitfähigkeit von dünnen TiO2-Schichten bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen und Atmosphären haben erhebliche Abhängigkeiten von der Schicht- Struktur gezeigt. Es hat sich gezeigt, dass die Trapping und De-Trapping-Raten von Ladungsträgern für die Anatas-Struktur kleiner als für die Rutil-Phase sind.

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