DE3309955A1

DE3309955A1 - Verfahren zur herstellung von in-sn-oxid-schichten

Info

Publication number: DE3309955A1
Application number: DE19833309955
Authority: DE
Inventors: Roland Dr. phil. nat. 6369 Nidderau Fischer; Dieter Dipl.-Ing. 6000 Frankfurt Leidich; Ekkehard Dipl.-Phys. 6457 Maintal Niemann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1983-03-19
Filing date: 1983-03-19
Publication date: 1984-09-20
Also published as: DE3309955C2

Description

Verfahren zur Herstellung von In-Sn-Oxid-Schichten
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Bedeutung von In 203 für die Technik besteht hauptsächlich darin, daß es in stark Sn-dotiertem Zustand als In-Sn-Oxid zwei zunächst iidersprüchliche Eigenschaften vereint: Es ist optisch transparent und trotzdem metallisch leitend. Je nach Präparation und Dotierung erreicht man Leitfähigkeiten bis etwa 5 . 10³#-¹ cm-¹ also schon eindeutig "metallische" Werte; die Leitfähigkeit von Rupfer beträgt 5,8. 105#-¹ cm-¹. Die optische Transparenz reicht auf beiden Seiten über den sichtbaren Spektralbereich hinaus, von etwa 1,5 urn bis etwa 0,35 prn.
Derartige Schichten konnen auf verschiedene Weise hergestellt werden: Durch reaktives Verdampfen einer geeigneten In-Sn-Mischung oder durch reaktives Kathodenzerstäuben eines In-Sn-Oxid-Targets geeigneter Zusammensetzung (zwischen 1 und 15 % Sn). Durch reaktives Verdampfen (H.-U. Habermeier, Thin Solid Films, 80 (1981), S.157 bis 160) erzielt man einen Flächenwiderstand (R@) von 23,1 bei einer Schichtdicke von 150 nm, also eine elektrische Leitfähigkeit von Z,88 . 10³#-¹ 1 cm 1. Im allgemeinen zeigen aber durch Kathodenzerstäuben hergestellte Schichten eine bessere Haftung auf der Unterlage. Außerdem ist beim Beschichten großer Flächen die Methode des Kathodenzerstäubens dem Aufdampfen aus herstellungstechnischen Gründen überlegen. Durch reaktives Kathodenzerstäuben eines In-Sn-Oxid-Targets (91 mol% In2 0 3' 9 mol% SnO2) wurden Leitfähigkeiten von # = 2,5 . 10³#-¹ cm-¹ erreicht (U. Buchanan, J. B. Webb, D. F. Williams, Thin Solid Films, 80 (1981), S. 373 bis 382) Die bisher erreichten elektrischen Leitfähigkeiten von In-Sn-Oxid-Filmen liegen bei etwa 5. 10@#-¹ cm-@ Für In-Sn-Oxid-Filme, die durch reaktives Kathodenzerstäuben hergestellt worden sind, liegen die Leitfähigkeiten darunter. In diesem Falle ist nach der Herstellung noch ein Temperschritt notwendig (Z. M. Jarzebski, phys. stat.
sold. (a) 71 (1982) 13).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Leitfähigkeit von durch Kathodenzerstäuben von Legierungen der Metalle Indium und Zinn hergestellten In-Sn-Oxid-Schichtee zu verbessern, bei weiterhin gegebener Transparenz im Sichtbaren.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten merkale gelöst.
Durch die Erfindung werden folgende Vorteile erreicht: 1) Bei der Verwendung von In-Sn-Oxid als Antireflexbelag von Solarzellen bedeutet eine hohe Leitfähigkeit einen kleinen Serienwiderstand und damit eine erhöhte Quantenausbeute der Zellen. Das ist besonders wichtig bei Dünnschicht-Solarzellen aus beispielsweise amorphem Silizium, da diese von Natur aus einen hohen Flächenwiderstand besitzen.
2) Bei allen Anwendungen als durchsichtige Elektrode: Eine höhere Leitfähigkeit bewirkt eine Reduk-tion der Schichtdicke und damit der Materialkosten. Das gleiche gilt für die Anwendung dieser Schichten auf heizbaren Fensterscheiben (Flugzeuge, KFZ).
3) In allen Fällen, wo eine durchsichtige Abschirmung gegen elektromagnetische Wellen benötigt wird, verringert eine hohe Leitfähigkeit die Eindringtiefe (Skintiefe), verbessert also den Abschirmeffekt bzw. hilft bei gleichem Abschirmeffekt Material einzusparen.
4) Eine Erhöhung der Leitfähigkeit ist im allgemeinen mit einer Ausdehnung des Spektralbereichs der Totalreflexion im Infraroten verbunden. Dadurch wird eine Verbesserung der Wirkung von In-Sn-Oxid als Belag auf Wärmeschutzfiltern erreicht.
Die Erfindung wird nachstehend näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 ein Diagramm des Flächenwiderstandes als Funktion der Substrattemperatur, Fig. 2 ein Diagramm des Flächenwiderstandes als Funktion des 02-Partialdrucks, Fig. 3 ein Diagramm der elektronischen Beweglichkeit als Funktion des 02-Partialdrucks.
Als Beispiel wird die Anwendung der In-Sn-Oxid-Schichten als transparente, elektrisch leitende Antireflexschicht von Solarzellen angeführt. Weitere Anwendungsbeispiele sind: Heizbare Fensterscheiben für Flugzeuge und Kraftfahrzeuge, transparente Wärmeschutzfilter.
Der Anwendung kommt außerdem entgegen, daßln-Sn-0xid eine mechanisch und chemisch sehr stabile Verbindung ist.
Die Herstellung der In-Sn-Oxid-Schichten erfolgt durch reaktives Kathodenzerstäuben (Sputtern) einer Legierung der Metalle Indium und Zinn in einer Argon-Sauerstoff-Atmosphäre. Die In-Sn-Legierung besitzt eine Reinheit großer als 99,99 %.
Fig. 1 zeigt die an 350 nm dicken Schichten gemessenen Flächenwiderstände in Abhängigkeit'von der SLtbstrattemperatur bei festem 02-Partialdruck (5,8 . 10 mbar).
Der Flächenwiderstand R# nimmt mit wachsender Substrattemperatur ab, bei 550 0E: besitzt er den Wert 4,5# cm = 6,3 . 103Z1 cm-¹), durch den Punkt a angedeutet.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, konnten bei gleicher Schichten dicke die erhaltenen Werte weiter verbessert werden, wenn der 02-Partialdruck nicht fixiert, sondern der jeweiligen Substrattemperatur angepaßt wird. Bei 550 beispielsweise von R# = 4,5 Q (Fig. 1) nach 2,5 (# : von 6,3 . 103Q Dcm1 nach 1,14 . 104#-¹ cm-¹), durch den Punkt b angedeutet.
Das Minimum des Flächenwiderstandes liegt bei einer Substrattemperatur von 250 0C bei 6 . 10 4 mbar, durch den Punkt c angedeutet, und bei 550 0C bei 8 . 10 4 mbar Oz-Partial-druck, durch den Punkt b angedeutet.
Die Substrat-Temperatur von 250 0c entspricht der Anforderung für die Beschichtung von amorphem Silizium, da man mit der Substrattemperatur stets unterhalb der Herstellungstemperatur der Unterlagen bleiben muß. Der Wert d für R@ bei einem Sauerstoffpartialdruck von 1. 10-@ mbar ist für die Anwendung als durchsichtige Elektrode nicht verwertbar, da bei 1. 10-4 mbar Sauerstoffpartialdruck die In-Sn-Oxid-Schicht metallisch reflektiert.
Für'die Beschichtung von beispielsweise kri-stallinem Silizium sind durch das erfindungsgemäße Verfahren nunmehr Substrattemperaturen von mindestens 550 °C anwendbar, da dieses Material stabiler ist als das amorphe Silizium. Die leitende Antireflexschicht erhält dadurch einen kleineren Flächenwiderstand.
Die auf diese Weise erzeugten Schichten haben sehr gute elektronische Eigenschaften, wie aus Fig 3 anhand der elektronischen Beweglichkeit ersichtlich. Es werden bei Ts = 550°C und Po2 = 8 . 10-4 mbar Werte bis zu etwa 100 cm2 v-18-1 erreicht. Dieser Wert kommt dem Wert für Einkristalle des Basismaterials In2O3 (160 cm² V-¹ s-¹ sehr nahe.
Die weiteren Herstellungsdaten für diese Schichten sind: Gewichtsverhältnis In:Sn 80-95 : 20-5 Argondruck 1 ... 5 10-² mbar Depositionsrate 1 ... 3 Eine weitere Verbesserung der elektrischen Eigenschaften kann noch durch nachträgliches Tempern unter Schutzgas (Ar, N2; p c 1 mbar) erreicht werden; die Temperung kann über etwa zwei bis fünf Stunden bei Temperaturen um 200 bis 600 °C stattfinden.
Nach einem solchen Temperschritt sind Leitfähigkeiten von etwa # = 1,5 . 104#-¹ cm-¹ erreichbar.
Die aus den Fig. 1 bis 3 ersichtlichen Werte sind bereits ohne diesen Temperschritt erreicht worden.

Claims

Verfahren zur Herstellung von In-Sn-Oxid-Schlchten P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Verfahren zur Herstellung von In-So-Oxid-Schichten mittels @athodenzerstäuben von Legierungen der Metalle Indium und Zinn, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: a) die Substrat-Temperatur, bei welcher abgeschieden wird, ist nach der höchsten, noch zulässigen Temperatur des jeweiligen Substratmaterials gewählt, b) dieser höchstmöglichen Substrat-Temperatur wird der Sauerstoffpartialdruck angepaßt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis von In zu Sn etwa im Bereich von 80 bis 95 : 20 bis 5 liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet daß der Gasgesamtdruck etwa 1 bis 5 102 mbar beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Depositionsrate etwa 1 bis 3 /s beträgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten getempert werden.