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Die
vorliegende Erfindung betrifft dotierte sowie undotierte Zinkoxidschichten
sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
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ZnO
hat eine Kristallstruktur nach Wurtz. Durch die Dotierung mit Metallelementen
wie z. B. Aluminium können
multifunktionale Materialien geschaffen werden, die sowohl eine
hohe Transparenz im sichtbaren Spektralbereich als auch eine metallähnliche
elektrische Leitfähigkeit
in sich vereinen. Diese Oxide sind für eine Vielzahl technischer
Anwendungen von ausschlaggebender Bedeutung. Beispiele sind transparente
und leitfähige
Elektroden in Solarzellen, Flachbildschirmen und elektrisch schaltbaren
Verglasungen. Eine besonders interessante Anwendung besteht aufgrund
ihrer piezoelektrischen Eigenschaften für elektronische SAW (Surface Acoustic
Wave) Signalfilter beim Mobilfunk für den Hochfrequenz-Bereich
(> 2GHz).
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Bisher
haben sich als Gasabscheideverfahren sowohl (PVD, Physical Vapor
Deposition) als auch CVD (Chemi cal Vapor Deposition) für die Herstellung
von ZnO-Schichten
etabliert. Ein Vorteil des Schichtwachstums aus der Gasphase liegt
darin, daß sich
aufwachsende Schichten in-situ mit anderen Elementen versetzen und
leitfähig
machen lassen. Die besten Ergebnisse werden mit gesputterten ZnO:Al-Schichten
erzielt.
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Eine
Vielzahl technischer Anwendungen der ZnO-Schichten sind von der Mikrostruktur
der Schichten, wie z. B. die Textur und die Oberflächenrauheit,
abhängig.
Zur Optimierung dieser strukturellen Eigenschaften wurden Abscheideverfahren
durch die Anpassung der Depositionsparameter erprobt.
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Die
ZnO-Schichtstruktur, insbesondere die Korngröße und die Kristallorientierung,
was für
die Anwendungen sehr wichtig ist, ist nur in begrenzten Fällen wie
zum Beispiel durch ein heteroepitaktisches Wachstum erzielbar. Eine
ortsabhängige
selektive Orientierung der Schichten ist bislang nicht möglich. Heteroepitaxie
ist nach dem Stand der Technik geeignet, Schichten hoher Qualität zu erzeugen, sie
ist aber kostenintensiv und nur bei bestimmten Unterlagen, deren
Gitterparameter mit dem von ZnO übereinstimmt,
möglich.
Auf der anderen Seite haben die heteroepitaktisch abgeschiedenen
Schichten eine bestimmte Orientierungsbeziehung zum Substrat und
daher ist ihre Orientierung nicht frei wählbar. Die Beschränkungen
bilden das Haupthindernis für die
weitere Entwicklung in der Wissenschaft und Technologie der TCO-Schichten
(Transparent Conductive Oxide).
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Verfahren
zur Herstellung von ZnO-Schichten sind aus Veröffentlichungen und Druckschriften bekannt.
In der Druckschrift
US
5 815 520 A ist ein heteroepitaktisches Wachstum von ZnO
auf einem Substrat wie Saphir angezeigt. Hier ist die ZnO-Schicht
vorzugsweise eine Ein-Kristall-Schicht, welche epitaktisch auf einem
Saphir- oder Siliziumsubstrat gewachsen ist. Dabei wurde die Gitterkonstante
des jeweils verwendeten Substrats berücksichtigt um gute Schichten
von z. B. InGaAlN auf Silizium zu erzeugen. Dabei wird ZnO als Zwischenschicht (Buffer
layer) genutzt.
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Weit
verbreitet ist überdies
das Nutzen von Sputtertechniken zur Filmherstellung. Die Druckschrift
JP 60 124 111 zeigt ein
oberflächenelastisches Wellenelement,
welches ein Siliziumsubstrat enthält auf dem eine Zinkoxid-Schicht
gewachsen wurde. Die Zinkoxid-Schicht
weist eine C-Achsen-Orientierung auf. Zur Herstellung der Zinkoxidschicht
wurde eine Hochfrequenz-Sputtertechnik verwendet.
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Ein
Herstellen von ZnO:Al-Filmen mittels Mittelfrequenz-Magnetron-sputtern
wurde im Journal "Thin
Solid Films" 351
(1999) auf den Seiten 164–169 veröffentlicht.
Aus der Druckschrift
US 5 802
223 ist ebenfalls ein Verfahren bekannt, Aluminium dotiertes ZnO
herzustellen. Ein (0001)-orientierter, Aluminium dotierter ZnO Film
wurde auf einem Saphir-(0001)-monokristallinem
Substrat mittels Hochfrequenz-Magnetronsputtern
aufgebracht.
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EP 1 005 096 A2 offenbart
ein Dünnfilm-Solarzellenmodul,
welches aus einer ersten Elektrodenschicht, einer Halbleiterschicht
und einer zweiten Elektrodenschicht welche auf einem Substrat aufgedampft
wurden, besteht. ZnO wird als Material für die erste Elektrodenschicht
vorgeschlagen, die auf einem Glassubstrat mittels einer CVD- oder
Sputtermethode aufgebracht wird.
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Die
Druckschrift
EP 1 058
249 A1 zeigt unter Anderem die Verwendung von Metalloxiden
wie SiO, In
2O
3 oder
ZnO für
optische Medien. Plasma-CVD (Chemical Vapor Deposition), Vakuumverdampfung und
Sputtermethoden für
die Herstellung von Metalloxid-Schichten in der Druckschrift
EP 1 058 249 A1 erwähnt.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die
Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Zinkoxid-Schicht zur Verfügung zu
stellen, welche einerseits kostengünstig ist und andererseits
eine größere Vielfalt
geometrischer Strukturen der Zinkoxid-Schichten ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird in bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren durch ein Verfahren
nach Patentanspruch 1 sowie in Bezug auf eine erfindungsgemäße Schicht
durch den Gegenstand des Patentanspruches 8 gelöst.
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Dadurch,
daß eine
Niederenergiefläche
eines Schichtkristalls oberflächenparallel
zur Geometrie des Substrates aufwächst, so daß die Schichtstruktur durch
geometrische Strukturierung des Substrats definiert hergestellt
wird, wird diese Aufgabe gelöst.
Hiermit wird erreicht, daß in
einem Gasabscheidungsverfahren wie PVD oder CVD die Herstellung
von Zinkoxid-Schichten,
deren Schichtstruktur/-textur und Oberflächenrauheit durch eine Strukturierung
(Patterning) des Substrates definiert bzw. kontrolliert werden können, ermöglicht wird.
Zum Sputtern wird eine RF- oder
Mittelfrequenz-Sputter-Quelle mit einer Frequenz von 10 bis 100
kHz, vorzugsweise 40 kHz verwendet. Das Substrat wird im nm- bis μm-Bereich
mit einer Mikrostruktur versehen und hat eine höhere Oberflächenenergie als die Niederenergiefläche der
Zinkoxid-(0001)-Kristallfläche. Es
wird ein oberflächenparalleles
Wachstum der Zinkoxid-(0001)Schichtstruktur auf dem Substrat erreicht.
Dieses ist von Epitaxie-Einflüssen praktisch
unabhängig,
das Oberflächenwachstum
(Keimbildung) ist allein abhängig
von der Substratgeometrie, der Oberflächenenergie des Substrates
sowie der Prozeßparameter,
vor allem der Übersättigung
der reaktiven Spezies in der Gasphase.
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Die
Keimbildungsmode (zwei- oder dreidimensional) ist von der Übersättigung
abhängig.
Die Übersättigung
ist wiederum vom Gasdruck und der Substrattemperatur abhängig.
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Erfindungsgemäß wird die
Schichtstruktur (C-Textur) durch eine "Selbsttexturierung" realisiert. Die Texturbildung dünner Schichten
ist nach dem Stand der Technik außer auf dem Teilchen- oder
Ionenflußfaktor
auf eine sogenannte Van der Drift-Evolution während des Wachstums zurückzuführen. D. h.,
die Keime, die anfänglich
statistisch orientiert sind, können
nicht alle überleben.
Nur diejenigen, deren schnellste Kristallwachstumsrichtung parallel
zu der Wachstumsrichtung der Schicht liegt, werden herauswachsen.
Alle anderen werden nach und nach begraben und die Verbleibenden
bilden eine Textur aus. Diese Art von Texturbildung ist nach dem
Stand der Technik von der Substratgeometrie unabhängig und
nur bei großer
Schichtdicke erzielbar.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Schichtwachstum
orientieren sich die auf dem Substrat gewachsenen Kristallite alle
und bilden bereits an der Grenzfläche (Keimbildungsplätze) eine
nahezu perfekt texturierte Säulen-Struktur aus. Der
Prozeß wird
durch die Oberflächen- bzw. Grenzflächenenergie
des Schicht/Substrat-Materialverbundes
und die Prozeßparameter
gesteuert.
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Wenn
das Kristallmaterial den Keim auf einem Substrat im thermodynamischen
Gleichgewicht bildet, ist die Form des wachsenden Kristalls von
der Oberflächenenergie
abhängig
und hier gilt das Wulff-Theorem,
wobei Δμ die chemische Potentialvariation
der Phasenumwandlung, ν das
Partikelvolumen, σ
i die freie Energien der Oberfläche sowie β die Abtrennungsarbeit
des Kristalls vom Substrat bedeuten.
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Diese
Zusammenhänge
werden anhand von 1a und 1b näher erläutert.
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1a zeigt
den Fall eines dreidimensionalen Schichtwachstums. Hierbei ist β kleiner
als σa (also die Oberflächenenergie der [0001]-Fläche der Zinkoxid-Struktur.
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1b zeigt
den Fall, in welchem β größer ist
als 2σa. Hier ist eine hohe Wechselwirkung zwischen
dem Substrat sowie dem darauf aufwachsenden Kristall gegeben. Dies
führt dazu,
daß ein
zweidimensionales Wachstum der Kristallstrukturen einsetzt, welches
(0001) flächenparallel
zur Substratoberfläche
ist. Die Geschwindigkeit des Lateralwachstums parallel zur Substratoberfläche ist
somit deutlich höher
als die Wachstumsgeschwindigkeit senkrecht dazu. Dies führt wiederum
dazu, daß die
(0001) Zinkoxid-Schichtstrukturen
im wesentlichen oberflächenparallel
zu dem Substrat aufwachsen.
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Laut
dem Wulff-Theorem wird also die Fläche mit der niedrigsten Energie
versuchen, parallel zur Substratoberfläche aufzuwachsen. Diese Tendenz
nimmt mit steigender Abtrennungsarbeit von Kristall zu Substrat
stark zu. Da die (0001)-Fläche von
ZnO die niedrigste freie Energie hat, wird diese Fläche versuchen,
parallel zur Substratoberfläche
zu liegen, wenn es gelingt, die Prozeßparameter so einzustellen,
daß der
Prozeß nahe
dem thermodynamischen Gleichgewicht abläuft.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausführungsform
sieht vor, daß das
Substrat amorph sein darf. Somit wird es möglich, besonders kostengünstiges Substrat
bereitzustellen, welches zudem noch kostengünstig auf seiner Oberfläche mikrostrukturiert werden
kann. Abhängig
von dieser Mikrostrukturierung werden dann z. B. Kristallsäulen auf
dem Substrat senkrecht zur Oberfläche aufwachsen. Selbstverständlich ist
es jedoch auch möglich,
andere Materialien zu verwenden (auch kristalline Materialien sind möglich).
Allerdings sollte hierbei darauf geachtet werden, daß der oben
beschriebene Einfluß der
höheren
Oberflächenenergie
stärker
ist als eventuelle Epitaxie-Einflüsse. So ist es dann auch erfindungsgemäß möglich, daß das Substrat
eine höhere
Oberflächenenergie
als die Nichtenergiefläche
des Zinkoxid (0001)-Kristallfläche
hat und/oder die Prozeßparameter
so eingestellt werden, daß ein
zweidimensionales Schichtwachstum realisiert wird.
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Als
Substrate kommen für
eine kostengünstige
Fertigung insbesondere Glas, thermisch oxidiertes Silizium bzw.
Silizium in Betracht.
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Je
nach Weiterbildung kann das Substrat neben einer mikrostrukturierten
Form auch eben sein. Als Mikrostrukturierung bieten sich hier insbesondere Felder
mit pyramidenförmigen
Gräben
an. Diese weisen im Querschnitt Sägezahnstrukturen bzw. parallel verschobene
Sägezahnstrukturen
auf, welche dann jeweils unterschiedliche Ausführungen von darauf aufwachsenden
Kristallsäulen
erzeugen.
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In
den unterschiedlichen Weiterbildungen können beliebige Gasphasenabscheidungsverfahren verwendet
werden, welche nach dem Stand der Technik bekannt sind.
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Dies
sind insbesondere PVD oder CVD. Hierbei bietet es sich insbesondere
an, beim Sputtern eine RF (Radio-Frequency) oder eine Mittelfrequenz-Sputterquelle
mit einer Betriebsfrequenz von 10 kHz bis 100 kHz (vorzugsweise
40 kHz) zu verwenden.
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Je
nach Anwendungsbereich kann die Zinkoxid-Schicht mit verschiedenen
Metallen dotiert werden. Die Dotierung erfolgt hierbei z. B. dadurch,
daß das
Target beim Sputtern mit einem entsprechenden Dotierungsmaterial
angereichert ist.
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Die
erfindungsmäßigen Schichten
besitzen ein Potential für
mehrere Anwendungsgebiete:
- a) Als transparente
leitende Elektroden für
die Solarzellen. Die Oberflächen-Rauheit
der ZnO-Schichten
ist zur Erhöhung
des Wirkungsgrades durch das Licht-Trapping wichtig.
- b) C-Achsen-texturierte Schichten mit definierter Achsen-Orientierung
zur Anwendung für
die Mikrosystemtechnik und elektronische Bauteile, wie z. B. SAW-elektronische
Signal Filter und LEDs. in Kombination der guten piezo-elektrischen
Eigenschaften der Materialien Zinkoxid mit der unübertroffenen
akustischen Schallgeschwindigkeit von Diamantschicht erscheinen
ZnO/Diamant/Si als aussichtsreiche Kandidaten für SAW-Devices bis zu Frequenzen
von 9 GHz.
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Weitere
vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung werden in
den übrigen
abhängigen
Ansprüchen
geschildert.
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Es
zeigen:
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1a und 1b theoretische
Grundlagen zum auswachsen von Zinkoxid-Kristallen (hierauf wurde
bereits weiter oben eingegangen),
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2a bis 2c das
Wachstum erfindungsgemäßer Zinkoxid-Schichten
auf Substraten mit unterschiedlicher Geometrie,
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3 eine
Gitteraufnahme einer Grenzfläche
zwischen einer mit Aluminium dotierten Zinkoxid-Schicht sowie einem
Substrat,
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4a bis 4c verschiedene
Ansichten einer erfindungsgemäßen Schicht,
welche auf einer strukturierten Siliziumoberfläche abgeschieden wurde.
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5 den
prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage.
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Bezüglich 1a und 1b wird
auf das bereits oben Gesagte verwiesen.
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2a zeigt
eine auf einer ebenen Substratoberfläche 10a aufwachsende
Zinkoxid-Schicht 9a. Diese besteht aus nebeneinander stehenden
Kristallsäulen 11a,
welche in Richtung senkrecht zur Ebene der Substratoberfläche 10a aufwachsen.
Die Schicht wächst
also in der c-Achse auf, welche senkrecht auf den (0001)-Flächen eines
Zinkoxid-Kristalls steht.
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Eine
solche Schicht wird mittels Sputtern in beispielsweise einer Mittelfrequenz-Magnetron-Sputteranlage hergestellt.
Hierbei ist erfindungsgemäß zu beachten,
daß zum
sauberen Wachstum in Richtung senkrecht zur Substratoberfläche diese
durch zu bestimmende Prozeßparameter
so eingestellt wird, daß ein
2D-Wachsum eintritt und daß die
Substratoberfläche
eine höhere
Oberflächenenergie
als die [0001]-Kristallflächen des
Zinkoxides aufweist.
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Als
Substratmaterialien kommen Glas (auch Quarz), Polymer/Kunststoff,
thermisch oxidiertes Silizium oder auch Silizium in Betracht. Herauszuheben ist,
daß das
Substrat nicht nach Epitaxie-Gesichtspunkten ausgewählt werden
muß, es
sind auch amorphe Substrate wählbar.
Entscheidend für
die Struktur ist erfindungsgemäß allein
die Oberflächenenergie
des Substrates sowie dessen mikrostrukturierbare Oberfläche. Die
Größenordnung
für die
Mikrostrukturen in der Substratoberfläche liegt im [nm]- bis [μm]-Bereich.
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Prinzipiell
können
die erfindungsgemäß aufwachsenden
Zinkoxid-Schichten dotiert oder undotiert sein. Ob bzw. wie stark
dotiert wird, hängt
hierbei von dem Anfordungsprofil für die abzuscheidende Schicht
ab. Während
Zinkoxid in undotierter Form ein elektrischer Isolator ist, stellt
z. B. mit Aluminium dotiertes Zinkoxid einen ausgezeichneten elektrischen Leiter
dar.
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Die
in 2a gezeigte Schicht 9a ist als transparente
leitende Elektrode für
Solarzellen einsetzbar. Hierbei wird. die Oberflächenrauheit der Zinkoxidschicht 9a an
deren Oberseite 12a zur Erhöhung des Wirkungsgrades durch
Licht-Traping ausgenutzt.
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2b und 2c zeigen
weitere Ausführungsformen
erfindungsgemäßer Schichten,
wobei die Substratoberfläche
eine andere Geometrie als in 2a aufweist.
Es soll nochmals hervorgehoben werden, daß im Vergleich zu den Verfahren
nach dem Stand der Technik für
die Erzeugung einer Schichttextur in einem Gasabscheidungsprozeß die Texturbildung
der Zinkoxid-Schichten
erfindungsgemäß nicht
vom Teilchen- oder Ionenflußfaktor
abhängt
und auch nicht auf die sogenannten Van-der-Drift-Evolution während des
Schichtwachstums zurückzuführen ist.
Sie ist unabhängig
von der kristallographischen Struktur des Substrates, sie wird allein
durch die Prozeßführung und
die Geometrie des Substrates bzw. durch die Oberflächenenergie des
Schicht-Substratverbundes bestimmt. Diese sogenannte Selbsttextruierung
ermöglicht,
die Schichtstruktur nach Anforderung der Anwendung frei zu gestalten
und herzustellen, welche für
die spezifische elektronische und optische Anwendung besonders wichtig
ist. Durch Verwendung eines speziell strukturierten Substrates können erfindungsgemäß die Korngröße und die
Oberflächenmorphologie
sowie die Rauheit der abgeschiedenen Schichten kontrolliert werden.
Die in der C-Achse orientierten Schichtkristallite können auf
lokalisierten Bereichen in der Mikrometerskala erzeugt werden.
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Im
folgenden wird auf die 2b sowie 2c eingegangen.
Soweit nicht ausdrücklich
etwas anderes hierzu gesagt wird, gilt vollumfänglich das zur 2a gesagte.
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Die
Oberflächenstruktur
des Substrates 10b in 2b ist
im Gegensatz zu dem Substrat 10a nicht eben, sondern zeigt
beabstandete Pyramidengräben
und somit im Schnitt A-A eine Sägezahnstruktur,
wobei die einzelnen im wesentlichen dreieckförmigen Zähne durch ebene Zwischenstücke 13 verbunden
sind. Dies führt
dazu, daß die [0001]-Flächen auf
der Oberfläche
des Substrates 10b in insgesamt drei Richtungen auswachsen.
Zum einen in den Richtungen C1 sowie C2, welche jeweils senkrecht
zu den Flanken der Zähne
der Substratoberfläche
stehen. Außerdem
noch in Richtung C3, welche senkrecht zu den ebenen Zwischenabschnitten 13 ist.
Auf diese Weise ergibt sich eine Zinkoxidschicht 9b mit
der in 2b gezeigten Säulengeometrie.
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2c zeigt
eine weitere Ausführung
eines Substrates 10c. Dieses weist direkt benachbarte Pyramidengräben und
somit im Schnitt A'-A' eine reine Sagezahnstruktur
auf, wobei kein Parallelersatz mehr zwischen den wesentlichen dreieckförmigen Zähnen besteht.
Das Kristallwachstum erfolgt auch hier immer in Richtung senkrecht
zu den (0001)-Flächen
der Zinkoxid-Kristalle, nämlich
in den Richtungen C1 bzw. C2, welche jeweils senkrecht zu den Flanken
der Zähne
angeordnet sind. Somit ergibt sich eine Schicht 9c, welche
gegenüber
den Schichten 9a und 9b eine andere Orientierung
aufweisen. Die ZnO (0001)-Achse ist senkrecht zu den Flanken. Somit
ist die Struktur der Schicht durch Variation des Flankenwinkels
einstellbar.
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Wie 2a bis 2c zeigen,
liefert der Selbsttexturierungsprozess die Möglichkeit, die Schichtstruktur
gezielt zu gestalten und herzustellen, was für die spezifische elektronische
und optische Anwendung entscheidende Bedeutung hat. Mit speziell
strukturierter Substratoberfläche
können
die Korngröße und Oberflächenmorphologie
sowie die Rauheit der Schichten für die Photovoltaik-Technologie
definiert abgeschieden werden. Die Orientierung (c-Achse) der Schichtkristallite
kann auf lokalisierter Fläche
in einer Mikroskala kontrolliert erzeugt werden, was ein Anwendungs-Potential
aufgrund der piezoelektrischen Eigenschaften von ZnO in der Mikrosystemtechnik
besitzt.
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3 zeigt
eine Gitteraufnahme der Grenzfläche
zwischen einer mit Aluminium dotierten Zinkoxidschicht sowie dem
darunter liegenden Substrat aus Silizium. Die Aufnahme ist entlang
der [110]-Zone-Achse des Silizium-Kristalls aufgenommen worden.
Die Anordnung der Zinkoxid-Schicht ist entsprechend der von 2a.
Die abgeschiedenen ZnO:Al-Schichten und die Grenzflächenstrukturen zwischen
der ZnO-Schicht und des Substrates wurden mittels hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie
(HRTM) untersucht. Um den Einfluß des Epitaxieeffektes zu differenzieren
bzw. zu vermeiden, wurde oxidiertes S1 als Substrat verwendet. Blickt
man das Bild entlang der Grenzfläche
ist es klar zu sehen, daß die
auf der amorphen SiO2-Schicht gewachsenen
Kristalliten sich alle mit ihrer (0001)-Ebene parallel zur Substratoberfläche orientieren
und bilden eine fast perfekte c-Achse-texturierte Säulen-Struktur an der Grenzfläche aus.
Keine sekundäre
Phase wie also Al2O3 und
amorphes ZnO können
an der Korngrenze beobachtet werden. Der Säulendurchmesser beträgt ca. 30
nm.
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Dieses
Phänomen
liefert einen starken Hinweis, daß präzis c-Achse-texturierte ZnO-Kristalle auf
einer amorphen Unterlage ohne den Einfluß der Epitaxie abgeschieden
werden können.
Dies weist außerdem
darauf hin, daß die
Orientierung des Kristalls durch eine Minimierung der Oberflächen- bzw. Grenzflächenenergien
gesteuert ist. Aufgrund der niedrigen freien Oberflächenenergie
wird bevorzugt der ZnO [0001] (1,6 J/m2)
parallel zur Substratoberfläche
aufwachsen.
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4a bis 4c zeigen
in verschiedenen Größen eine
weitere Zinkoxid-Schicht, welche auf ein Siliziumsubstrat aufgebracht
ist. Das Substrat hat hierbei eine zu der in 2b gezeigten
Struktur ähnliche
Struktur, wobei jedoch die Spitzen der Zähne abgeschnitten sind. In 4a ist
der Übergang
von einem ebenen Abschnitt zu einem Flankenabschnitt des Substrats
gezeigt.
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In 4b ist
hierzu ein Mikroskopie-Bild gezeigt, eine 50 nm Vergleichslinie
ist eingezeichnet. Unterhalb der durch den mittleren Bildbereich
verlaufenden weißen
Linie ist Silizium, oberhalb ist die Zinkoxid-Schicht.
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In 4c ist
eine weitere Vergrößerung gezeigt,
wobei die Ausrichtung der Kristallgitter erkennbar wird. Es ist
eine 3 nm Vergleichslinie im unteren rechten Bildrand gezeigt. Zusätzlich sind
noch die Richtungen der [0001]-Flächen gezeigt. Diese sind im
Bereich der schrägen
Flanken parallel zur Flankenoberfläche und im rechten Bildbereich
im wesentlichen waagerecht. Zum Vergleich sind außerdem die je
weils hierzu parallel verlaufenden (111)- sowie (001)-Flächen des
Siliziums eingezeigt.
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Bei
der in 4a bis 4c Anordnung
wurde die Silizium-Oberfläche
durch naßchemisches Ätzen vorab
strukturiert und die darauf gewachsene Schicht untersucht und fotographiert.
Besonders bemerkenswert ist, daß die
Zinkoxid (0001)-Fläche
tatsächlich über der
Kante parallel zur Substratoberfläche läuft; somit ist gezeigt, daß die Schichtmikrostruktur
durch Vorgabe der Substratoberfläche
manipulierbar ist.
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Abschließend wird
eine in 5 gezeigt erfindungsgemäße Beschichtungsanlage
vorgestellt.
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Die
ZnO-Schichten wurden durch reaktives Mittelfre quenz(MF)-Magnetronsputtern
in einer Laborsputteranlage 15 hergestellt. Der prinzipielle
Aufbau dieser Sputteranlage ist in 5 wiedergegeben:
Die
Sputteranlage basiert auf einer kommerziellen Hochvakuum-Beschichtungsanlage
(PLS 580, Firma Pfeiffer). Das System verfügt über einen kühl- und heizbaren Rezipienten 1,
der über
ein Turbopumpsystem evakuiert wird. In sämtlichen Beschichtungsexperimenten
war ein Basisdruck von p0 < 4 × 10-6 mbar gewährleistet.
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Die
MF-Sputterquelle 2 (TwinMag®, Fa.
Leybold Systems) ist aus zwei konventionellen Planar Magnetronkathoden
vom Typ PK 500 (Targetformat: 488 × 88 mm2)
aufgebaut, die über
eine spezielle Anpassungseinheit mit einem MF-Generator verbunden sind.
Der Generator liefert ein harmonisches Ausgangssignal mit einer
Frequenz von 40 kHz. Die maximale Ausgangsleistung beträgt 10 kW,
dies entspricht einer maximalen Leistungsdichte von P/A = 11,5 W/cm2. Sputtergas und Reaktivgas werden über jeweils
zwei unabhängige
Gaseinlaßsysteme 3 separat
zugeführt.
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Sämtliche
Gasflüsse
werden über
ein Reinstgassystem zugeführt
und über
Massenflußregler
kontrolliert. Die Gasreinheit ist besser als 4.8. Für die hier
vorgestellten Arbeiten wurde die Anlage mit einem an einem steuerbaren
Drehantrieb 4 mit einem ersten Shutter 5 und drehbarer
Substratträgerplattform 6 mit
drehbarem Substrathalter 7 versehen, der insgesamt vier
Substrate im Format 50 × 50
mm2 aufnimmt. Ein solcher Substrathalter
nimmt zugleich die drei Substratmaterialien Glas/Quarz (20 × 20 mm2) thermisch oxidiertes Si (20 × 20 mm2) und nicht oxidiertes Si (5 × 40 mm2) auf. Die Substrattemperatur kann durch
einen Borcarbid Strahlungsheizer 8 (mit einem zweiten Shutter) vorgegeben
werden. Für Glassubstrate
liegen Referenzmessungen zur Bestimmung der Substrattemperatur in
Abhängigkeit der
Heiztemperatur vor.