WO2003040426A1 - Zinc oxide layer and method for the production thereof - Google Patents

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WO2003040426A1
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zinc oxide
layer
doped
layers
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PCT/EP2002/012589
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Xin Jiang
Chunlin Jia
Bernd Szyszka
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Forschungszentrum Jülich GmbH
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    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10Inorganic compounds or compositions
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    • C30B29/18Quartz

Definitions

  • Zinc oxide layer and process for its production
  • the present invention relates to doped and undoped zinc oxide layers and to a method for the production thereof.
  • ZnO has a Wurtz crystal structure.
  • the doping with etallele ducks such as aluminum enables multifunctional materials to be created that combine both high transparency in the visible spectral range and metal-like electrical conductivity. These oxides are of crucial importance for a large number of technical applications. Examples are transparent and conductive electrodes in solar cells, flat screens and electrically switchable glazing.
  • a particularly interesting application is due to their piezoelectric properties for electronic SAW (Surface Acoustic Wave) signal filters in mobile radio for the high-frequency range (> 2GHz). So far, both (PVD, Physical Vapor Deposition) and CVD (Chemical Vapor Deposition) have been established as gas separation processes for the production of ZnO layers.
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • the heteroepitaxial growth of ZnO on a substrate such as sapphire is state of the art.
  • the ZnO layer structure in particular the grain size and the crystal orientation, which is very important for the applications, can only be achieved in limited cases, for example by heteroepitaxial growth.
  • a location-dependent selective orientation of the layers has so far not been possible.
  • heteroepita- xy is suitable for producing layers of high quality, but it is cost-intensive and only possible with certain documents, the lattice parameters of which correspond to that of ZnO.
  • the heteroepitaxially deposited layers have a certain orientation relation to the substrate and therefore their orientation can not be chosen freely. The restrictions are the main obstacle to further development in the science and technology of the TCO layers (Transparent Conductive Oxide).
  • the object of the present invention is to provide a method or a zinc oxide layer which is inexpensive on the one hand and which enables a greater variety of geometric structures of the zinc oxide layers on the other hand.
  • This object is achieved in that a low-energy surface of a layer crystal grows parallel to the surface of the substrate so that the layer structure is produced in a defined manner by means of the geometric structuring of the substrate.
  • a surface-parallel growth of the zinc oxide (0001) layer structure on the substrate is achieved. This is practically independent of epitaxial influences.
  • the surface growth (nucleation) depends solely on the substrate geometry, the surface energy of the substrate and the process parameters, especially the supersaturation of the reactive species in the gas phase.
  • the nucleation mode depends on the supersaturation.
  • the supersaturation depends on the gas pressure and the substrate temperature.
  • the layer structure (C texture) is realized by "self-texturing".
  • the texture formation of thin layers is due to a so-called Van der Drift evolution during growth, in addition to the particle or ion flow factor. That is, the germs that are initially statistically oriented cannot all survive. Only those whose fastest crystal growth direction is parallel to the growth direction of the layer will grow out. All others are buried little by little and the remaining ones form a texture.
  • this type of texture formation is independent of the substrate geometry and can only be achieved with a large layer thickness.
  • the crystallites grown on the substrate all orient themselves and form an almost perfectly textured column structure already at the interface (nucleation sites).
  • the process is influenced by the surface or Interface energy of the layer / substrate material composite and the process parameters controlled.
  • the shape of the growing crystal depends on the surface energy and the Wulff theorem applies here,
  • is the chemical potential variation of the phase change
  • v the particle volume
  • ⁇ _ the free energies of the surface and ß mean the separation work of the crystal from the substrate.
  • Figure la shows the case of a three-dimensional
  • ß is smaller than ⁇ a (i.e. the surface energy of the [0001] -
  • Figure lb shows the case in which ß is greater than 2 ⁇ a .
  • ß is greater than 2 ⁇ a .
  • the speed of the lateral growth parallel to the substrate surface is thus significantly higher than the growth speed perpendicular to it.
  • the area with the lowest energy will try to grow parallel to the substrate surface. This tendency increases with increasing separation work from crystal to substrate. Since the (0001) surface of ZnO has the lowest free energy, this surface will try to be parallel to the substrate surface if it is possible to set the process parameters so that the process runs close to the thermodynamic equilibrium.
  • the substrate may be amorphous. This makes it possible to provide a particularly cost-effective substrate which can also be microstructured on its surface at low cost. Depending on this microstructuring, crystal columns, for example, will then grow on the substrate perpendicular to the surface. Of course, it is also possible to use other materials (crystalline materials are also possible). However, care should be taken to ensure that the influence of the higher surface energy described above is stronger than any epitaxial influences. It is then also possible according to the invention that the substrate has a higher surface energy than the non-energy surface of the zinc oxide (0001) crystal surface and / or the process parameters are set such that two-dimensional layer growth is realized.
  • glass, thermally oxidized silicon or silicon can be considered as substrates for low-cost production.
  • the substrate can also be flat in addition to a micro-structured shape.
  • Fields with pyramid-shaped trenches are particularly suitable as microstructuring. In cross section, these have sawtooth structures or sawtooth structures displaced in parallel, which then each produce different designs of crystal columns growing thereon.
  • any gas phase deposition method known in the prior art can be used in the various developments.
  • these are in particular PVD or CVD.
  • RF radio frequency
  • a medium-frequency sputtering source with an operating frequency of 10 kHz to 100 kHz (preferably 40 kHz) for sputtering.
  • the zinc oxide layer can be doped with various metals.
  • the doping is e.g. in that the target is enriched with a corresponding doping material during sputtering.
  • the layers according to the invention have potential for several areas of application:
  • FIGS. 2a to 2c the growth of zinc oxide layers according to the invention on substrates with different geometries
  • FIG. 3 shows a lattice image of an interface between a zinc oxide layer doped with aluminum and a substrate
  • FIGS. 4a to 4c show different views of a layer according to the invention which has been deposited on a structured silicon surface
  • Figure 5 shows the basic structure of a coating system according to the invention.
  • FIG. 2a shows a zinc oxide layer 9a growing on a flat substrate surface 10a. This consists of juxtaposed crystal columns 11a, which grow in the direction perpendicular to the plane of the substrate surface 10a. The layer thus grows in the c-axis, which is perpendicular to the (0001) surfaces of a zinc oxide crystal.
  • Such a layer is produced by sputtering in a medium-frequency magnetron sputtering system, for example.
  • this by determining process parameters is set so that 2D growth occurs and that the substrate surface has a higher surface energy than the [0001] crystal surfaces of the zinc oxide.
  • substrate materials Glass (also quartz), polymer / plastic, thermally oxidized silicon or also silicon come into consideration as substrate materials. It should be emphasized that the substrate does not have to be selected on the basis of epitaxy, and amorphous substrates can also be selected. According to the invention, only the surface energy of the substrate and its microstructurable surface are decisive for the structure. The order of magnitude for the microstructures in the substrate surface is in the [nm] to [ ⁇ m] range.
  • the zinc oxide layers growing on according to the invention can be doped or undoped. Whether or how much doping depends on the requirement profile for the layer to be deposited.
  • zinc oxide in undoped form is an electrical insulator, e.g. zinc oxide doped with aluminum is an excellent electrical conductor.
  • the layer 9a shown in FIG. 2a can be used as a transparent conductive electrode for solar cells.
  • the surface roughness of the zinc oxide layer 9a on the upper side 12a thereof is used to increase the efficiency by light traping.
  • FIGS. 2b and 2c show further embodiments of layers according to the invention, the substrate surface having a different geometry than in FIG. 2a.
  • the texture formation of the zinc oxide layers according to the invention does not depend on the particle or ion flow factor and is also not attributable to the so-called van der drift evolution during layer growth. It is independent of the crystallographic structure of the substrate, it is determined solely by the process control and the geometry of the substrate or by the surface energy of the layer-substrate composite. This so-called self-extraction enables the layer structure to be designed and manufactured as required by the application, which is particularly important for the specific electronic and optical application.
  • the grain size and the surface morphology and the roughness of the deposited layers can be controlled according to the invention.
  • the layer crystallites oriented in the C-axis can be produced on localized areas on the micrometer scale.
  • the surface structure of the substrate 10b in FIG. 2b is not flat, but rather shows spaced pyramid trenches and thus a sawtooth structure in section AA, the individual essentially triangular teeth being connected by flat intermediate pieces 13.
  • the directions Cl and C2 which are perpendicular to the flanks of the teeth of the substrate surface.
  • the direction C3 which is perpendicular to the flat intermediate sections 13. This results in a zinc oxide layer 9b with the column geometry shown in FIG. 2b.
  • FIG. 2c shows a further embodiment of a substrate 10c.
  • This has directly adjacent pyramid trenches and thus, in section A'-A ', a pure sawtooth structure, there being no longer a parallel replacement between the essential triangular teeth.
  • crystal growth always takes place in the direction perpendicular to the (0001) faces of the zinc oxide crystals, namely in the directions C1 and C2, which are each arranged perpendicular to the flanks of the teeth.
  • the ZnO (0001) axis is perpendicular to the flanks. The structure of the layer can thus be adjusted by varying the flank angle.
  • FIGS. 2a to 2c show, the self-texturing process provides the possibility of specifically designing and producing the layer structure, which is of crucial importance for the specific electronic and optical application.
  • the grain size and surface morphology as well as the roughness of the layers for the photovoltaic technology can be deposited in a defined manner.
  • the orientation (c-axis) of the layer crystallites can be generated in a controlled manner on a localized area in a microscale, which has an application potential due to the piezoelectric properties of ZnO in microsystem technology.
  • FIG. 3 shows a grating image of the interface between a zinc oxide layer doped with aluminum and the underlying silicon substrate. The image was taken along the [110] zone axis of the silicon crystal.
  • the arrangement of the zinc oxide layer corresponds to that of FIG. 2a.
  • the deposited ZnO: Al layers and the interface structures between the ZnO layer and the substrate were examined using high-resolution transmission electron microscopy (HRTM).
  • HRTM transmission electron microscopy
  • oxidized Si was used as the substrate. If you look at the image along the interface, it is clear to see that the crystallites grown on the amorphous Si0 2 layer are all oriented with their (0001) plane parallel to the substrate surface and form an almost perfect c-axis textured columns Structure at the interface. No secondary phase such as Al 2 0 3 and amorphous ZnO can be observed at the grain boundary.
  • the column diameter is approx. 30 n.
  • This phenomenon provides a strong indication that precisely c-axis textured ZnO crystals can be deposited on an amorphous substrate without the influence of epitaxy. This also indicates that the orientation of the crystal is controlled by minimizing the surface or interface energies. Because of the low free surface energy, the ZnO (1.6 J / m 2 ) will preferably grow parallel to the substrate surface.
  • FIGS. 4a to 4c show a further zinc oxide layer in various sizes, which is applied to a silicon substrate.
  • the substrate has one Structure similar to the structure shown in Figure 2b, but with the tips of the teeth cut off. The transition from a flat section to a flank section of the substrate is shown in FIG. 4a.
  • FIG. 4b A microscopy image is shown in FIG. 4b, a 50 nm comparison line is drawn in. Below the white line running through the middle of the image is silicon, above is the zinc oxide layer.
  • FIG. 4c A further enlargement is shown in FIG. 4c, the alignment of the crystal lattices being recognizable.
  • a 3 nm comparison line is shown in the lower right edge of the image.
  • the directions of the [0001] faces are also shown. These are essentially horizontal in the area of the oblique flanks parallel to the flank surface and in the right-hand area of the image. For comparison, the (111) and (001) faces of the silicon running parallel to this are also shown.
  • the silicon surface was structured in advance by wet chemical etching and the layer grown on it was examined and photographed. It is particularly noteworthy that the zinc oxide (0001) surface actually runs over the edge parallel to the substrate surface; it is thus shown that the layer microstructure can be manipulated by specifying the substrate surface.
  • the ZnO layers were quenz (MF) magnetron sputtering produced in a laboratory sputtering system 15.
  • the basic structure of this sputtering system is shown in FIG. 5:
  • the sputtering system is based on a commercial one
  • High vacuum coating system (PLS 580, company Pfeiffer).
  • the system has a coolable and heatable recipient 1, which is evacuated via a turbopump system.
  • a base pressure of p 0 ⁇ 4xl0 ⁇ 6 mbar was guaranteed in all coating experiments.
  • the MF sputter source 2 (TwinMag®, Leybold Systems) is made up of two conventional PK 500 planar magnetron cathodes (target format: 488 x 88 mm 2 ), which are connected to an MF generator via a special adaptation unit.
  • the generator delivers a harmonic output signal with a frequency of 40 kHz.
  • Sputter gas and reactive gas are supplied separately via two independent gas inlet systems 3.
  • All gas flows are supplied via a high-purity gas system and controlled via mass flow controllers.
  • the gas purity is better than 4.8.
  • the system was provided with a on a controllable rotary drive 4 with a first shutter 5 and a rotatable substrate support platform 6 with a rotatable substrate holder 7, which accommodates a total of four substrates in the format 50 ⁇ 50 mm 2 .
  • Such a substrate holder also accommodates the three substrate materials glass / quartz (20 x 20 mm 2 ) thermally oxidized Si (20 x 20 mm 2 ) and non-oxidized Si (5 x 40 mm 2 ).
  • the substrate temperature can be controlled by a boron carbide radiant heater 8 (with a second shutter) be specified.
  • reference measurements are available to determine the substrate temperature depending on the heating temperature.
  • Table 1 Process parameters for reactive MF (mid-frequency) magnetron sputtering (RMFMS) from ZNO: Al layers in metallic and transition mode.
  • RMFMS reactive MF
  • the dominant crystal surfaces are those with the smallest surface energy. These areas tend to grow parallel to the substrate. This tendency increases as the binding energy of the layer onto the substrate increases, as has been shown schematically in FIG. 1. Since the (0001) areas of ZnO have the lowest free energy [1.6J / m 2 for (0001), 2 f 0J / m 2 for (1120) and 3.4J / m 2 for (1010)], they will try to wake up parallel to substrate surfaces (> 2J / m 2 ) If the process parameters are set so that the process runs close to the thermodynamic equilibrium.
  • the substrate surface now has an energy level of, for example, 1.8 J / m 2 , provided that there is a thermodynamic equilibrium, ZnO (0001) nuclei alone or primarily will form, and a corresponding layer growth according to the invention is ensured.
  • the structure of the layers is heavily dependent on the so-called process mode.
  • the c-axis oriented ZnO layers were obtained in metallic mode, which takes place in an equilibrium or near-equilibrium state.
  • the values shown in Table 1 for this purpose are only given as examples for the person skilled in the art; Of course, other pairs of values are also possible in which the deposition proceeds in thermodynamic equilibrium (zinc with a 1.5 percent by weight aluminum was used as the target material for the conventional planar magnetron cathodes). If the partial pressure of oxygen is reduced and the ion energy density to the ZnO layer surface is adjusted accordingly, a transition mode is also realized (Table 1).
  • the HRTEM investigations showed that, in contrast to the c-axis textured layers in metallic mode, the layers which were produced under a transition mode are statistically oriented and have no column structure according to the invention.
  • the ZnO layers produced according to the invention are also e.g. usable as waveguide.

Abstract

The invention relates to a doped or undoped zinc oxide layer (9a, 9b, 9c) and to a method for the production thereof by chemical vapor deposition onto a substrate (10a, 10b, 10c). One of the surfaces (atomic level), which has the lowest surface energy, is grown in a manner that is surface parallel with regard to the geometry of the substrate when the substrate has a higher surface energy than that of the ZnO (0001) crystal surface and/or when the process parameters are set so that a 2D lateral layer growth can be realized.

Description

Zinkoxid-Schicht und Verfahren zu dessen HerstellungZinc oxide layer and process for its production
Die vorliegende Erfindung betrifft dotierte sowie undotierte Zinkoxidschichten sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.The present invention relates to doped and undoped zinc oxide layers and to a method for the production thereof.
ZnO hat eine Kristallstruktur nach Wurtz. Durch die Dotierung mit etallele enten 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) . Bisher haben sich als Gasabscheideverfahren sowohl (PVD, Physical Vapor Deposition) als auch CVD (Chemical 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.ZnO has a Wurtz crystal structure. The doping with etallele ducks such as aluminum enables multifunctional materials to be created that combine both high transparency in the visible spectral range and metal-like electrical conductivity. These oxides are of crucial importance for a large number of technical applications. Examples are transparent and conductive electrodes in solar cells, flat screens and electrically switchable glazing. A particularly interesting application is due to their piezoelectric properties for electronic SAW (Surface Acoustic Wave) signal filters in mobile radio for the high-frequency range (> 2GHz). So far, both (PVD, Physical Vapor Deposition) and CVD (Chemical Vapor Deposition) have been established as gas separation processes for the production of ZnO layers. One advantage of layer growth from the gas phase is that layers which grow up can be mixed with other elements in situ and made conductive. The best results are achieved with sputtered ZnO: Al layers.
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 Eigen- schaffen wurden Abscheideverfahren durch die Anpassung der Depositionsparameter erprobt.A large number of "technical applications of the ZnO layers depend on the microstructure of the layers, such as the texture and surface roughness. In order to optimize these structural properties, deposition processes have been tested by adapting the deposition parameters.
Das heteroepitaktische Wachstum von ZnO auf einem Substrat wie Saphir ist Stand der Technik.The heteroepitaxial growth of ZnO on a substrate such as sapphire is state of the art.
Die ZnO-Schichtstruktur, insbesondere die Korngröße und die Kristallorientierung, was für die Anwendungen sehr wichtig ist, ist nur in begrenzten ällen wie zum Beispiel durch ein heteroepitaktisches Wachstum erzielbar. Eine ortsabhängige selektive Orientierung der Schichten ist bislang nicht möglich. Heteroepita- xie ist nach dem Stand der Technik geeignet, Schichten hoher Qualität zu erzeugen, sie ist aber kostenintensiv und nur bei bestimmter Unterlagen, deren Gitterparameter mit dem von ZnO übereinstimmt, möglich. Auf der anderen Seite haben die heteroepitak- tisch abgeschiedenen Schichten eine bestimmte Orientierungsbeziehung zum Substrat und daher ist ihre 0- rientierung nicht frei wählbar. Die Beschränkungen bilden das Haupthindernis für die weitere Entwicklung in der Wissenschaft und Technologie der TCO-Schichten (Transparent Conductive Oxide) .The ZnO layer structure, in particular the grain size and the crystal orientation, which is very important for the applications, can only be achieved in limited cases, for example by heteroepitaxial growth. A location-dependent selective orientation of the layers has so far not been possible. According to the state of the art, heteroepita- xy is suitable for producing layers of high quality, but it is cost-intensive and only possible with certain documents, the lattice parameters of which correspond to that of ZnO. On the other hand, the heteroepitaxially deposited layers have a certain orientation relation to the substrate and therefore their orientation can not be chosen freely. The restrictions are the main obstacle to further development in the science and technology of the TCO layers (Transparent Conductive Oxide).
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfah- ren bzw. eine Zinkoxid-Schicht zur Verfügung zu stellen, welche einerseits kostengünstig ist und andererseits eine größere Vielfalt geometrischer Strukturen der Zinkoxid-Schichten ermöglicht.On the basis of this prior art, the object of the present invention is to provide a method or a zinc oxide layer which is inexpensive on the one hand and which enables a greater variety of geometric structures of the zinc oxide layers on the other hand.
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 9 gelöst.This object is achieved in relation to the method according to the invention by a method according to patent claim 1 and in relation to a layer according to the invention by the subject matter of patent claim 9.
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 die Herstellung von Zinkoxid-Schichten, deren Schichtstruktur / -textur und Oberflächenrauheit durch eine Strukturierung (Patterning) des Substrates definiert bzw.' kontrolliert werden können, ermöglicht wird. 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 Ober- flächenenergie des Substrates sowie der Prozeßparameter, vor allem der Übersättigung der reaktiven Spezies in der Gasphase. Die Keimbildungsmode (zwei- o- der dreidimensional) ist von der Übersättigung abhängig. Die Übersättigung ist wiederum vom Gasdruck und der Substrattemperatur abhängig. 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 Wachstums- richtung 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.This object is achieved in that a low-energy surface of a layer crystal grows parallel to the surface of the substrate so that the layer structure is produced in a defined manner by means of the geometric structuring of the substrate. This ensures that the production of zinc oxide layers, the layer structure / texture and surface roughness of which can be defined or ' controlled by structuring (patterning) the substrate, is made possible in a gas deposition process. A surface-parallel growth of the zinc oxide (0001) layer structure on the substrate is achieved. This is practically independent of epitaxial influences. The surface growth (nucleation) depends solely on the substrate geometry, the surface energy of the substrate and the process parameters, especially the supersaturation of the reactive species in the gas phase. The nucleation mode (two- or three-dimensional) depends on the supersaturation. The supersaturation depends on the gas pressure and the substrate temperature. According to the invention, the layer structure (C texture) is realized by "self-texturing". According to the prior art, the texture formation of thin layers is due to a so-called Van der Drift evolution during growth, in addition to the particle or ion flow factor. That is, the germs that are initially statistically oriented cannot all survive. Only those whose fastest crystal growth direction is parallel to the growth direction of the layer will grow out. All others are buried little by little and the remaining ones form a texture. According to the prior art, this type of texture formation is independent of the substrate geometry and can only be achieved with a large layer thickness.
Bei dem erfindungsgemäßen Schichtwachstum orientieren sich die auf dem Substrat gewachsenen Kristallite alle und bilden bereits an der Grenzfläche (Keimbil- dungsplätze) eine nahezu perfekt texturierte Säulen- Struktur aus. Der Prozeß wird durch die Oberflächenbzw. Grenzflächenenergie des Schicht/Substrat- Materialverbundes und die Prozeßparameter gesteuert.In the layer growth according to the invention, the crystallites grown on the substrate all orient themselves and form an almost perfectly textured column structure already at the interface (nucleation sites). The process is influenced by the surface or Interface energy of the layer / substrate material composite and the process parameters controlled.
Wenn das Kristallmaterial den Keim auf einem Substrat im ther odynamischen Gleichgewicht bildet, ist die Form des wachsenden Kristalls von der Oberflächenenergie abhängig und hier gilt das Wulff-Theorem,If the crystal material forms the nucleus on a substrate in thermodynamic equilibrium, the shape of the growing crystal depends on the surface energy and the Wulff theorem applies here,
^E = _Z± = q± =- ■ -=σa
Figure imgf000006_0001
wobei Δμ die chemische Potentialvariation der Phasenumwandlung, v das Partikelvolumen, σ_. die freie Energien der Oberfläche sowie ß die Abtrennungsarbeit des Kristalls vom Substrat bedeuten.
^ E = _Z ± = q ± = - ■ - = σ a
Figure imgf000006_0001
where Δμ is the chemical potential variation of the phase change, v the particle volume, σ_. the free energies of the surface and ß mean the separation work of the crystal from the substrate.
Diese Zusammenhänge werden anhand von Figuren la und lb näher erläutert.These relationships are illustrated by figures la and lb explained in more detail.
Figur la zeigt den Fall eines dreidimensionalenFigure la shows the case of a three-dimensional
Schichtwachstums. Hierbei ist ß kleiner als σa (also die Oberflächenenergie der [0001]-Layer growth. Here ß is smaller than σ a (i.e. the surface energy of the [0001] -
Fläche der Zinkoxid-Struktur.Area of the zinc oxide structure.
Figur lb zeigt den Fall, in welchem ß größer ist als 2σa. Hier ist eine hohe Wechselwirkung zwi- sehen 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.Figure lb shows the case in which ß is greater than 2σ a . There is a high level of interaction between the substrate and the crystal growing on it. This leads to a two-dimensional growth of the crystal structures which is (0001) parallel to the surface of the substrate. The speed of the lateral growth parallel to the substrate surface is thus significantly higher than the growth speed perpendicular to it. This in turn leads to the (0001) zinc oxide layer structures growing essentially parallel to the surface of the substrate.
Laut dem Wulff-Theorem wird also die Fläche mit der niedrigsten Energie versuchen, parallel zur Substrat- Oberfläche 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 ge- lingt, die Prozeßparameter so einzustellen, daß der Prozeß nahe dem thermodynamischen Gleichgewicht abläuft.According to the Wulff theorem, the area with the lowest energy will try to grow parallel to the substrate surface. This tendency increases with increasing separation work from crystal to substrate. Since the (0001) surface of ZnO has the lowest free energy, this surface will try to be parallel to the substrate surface if it is possible to set the process parameters so that the process runs close to the thermodynamic equilibrium.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfin- düng werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben. 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 kri- stalline 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 Sub- strat eine höhere Oberflächenenergie als die Nichtenergiefläche des Zinkoxid (0001) -Kristallfläche hat und/oder die Prozeßparameter so eingestellt werden, daß ein zweidimensionales Schichtwachstum realisiert wird.Advantageous further developments of the present invention are specified in the dependent claims. A particularly advantageous embodiment provides that the substrate may be amorphous. This makes it possible to provide a particularly cost-effective substrate which can also be microstructured on its surface at low cost. Depending on this microstructuring, crystal columns, for example, will then grow on the substrate perpendicular to the surface. Of course, it is also possible to use other materials (crystalline materials are also possible). However, care should be taken to ensure that the influence of the higher surface energy described above is stronger than any epitaxial influences. It is then also possible according to the invention that the substrate has a higher surface energy than the non-energy surface of the zinc oxide (0001) crystal surface and / or the process parameters are set such that two-dimensional layer growth is realized.
Als Substrate kommen für eine kostengünstige Fertigung insbesondere Glas, thermisch oxidiertes Silizium bzw. Silizium in Betracht.In particular, glass, thermally oxidized silicon or silicon can be considered as substrates for low-cost production.
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 verscho- bene Sägezahnstrukturen auf, welche dann jeweils unterschiedliche Ausführungen von darauf aufwachsenden Kristallsäulen erzeugen.Depending on the training, the substrate can also be flat in addition to a micro-structured shape. Fields with pyramid-shaped trenches are particularly suitable as microstructuring. In cross section, these have sawtooth structures or sawtooth structures displaced in parallel, which then each produce different designs of crystal columns growing thereon.
In den unterschiedlichen Weiterbildungen können be- liebige Gasphasenabscheidungsverfahren verwendet werden, welche nach dem Stand der Technik bekannt sind. Dies sind uns insbesondere PVD oder CVD. Hierbei bietet es sich insbesondere an, beim Sputtern eine RF (Radio-Frequency) oder eine Mittelfrequenz-Sputter- quelle mit einer Betriebsfrequenz von 10 kHz bis 100 kHz (vorzugsweise 40 kHz) zu verwenden.Any gas phase deposition method known in the prior art can be used in the various developments. For us, these are in particular PVD or CVD. It is particularly advisable to use an RF (radio frequency) or a medium-frequency sputtering source with an operating frequency of 10 kHz to 100 kHz (preferably 40 kHz) for sputtering.
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.Depending on the area of application, the zinc oxide layer can be doped with various metals. The doping is e.g. in that the target is enriched with a corresponding doping material during sputtering.
Die erfindungsmäßigen Schichten besitzen ein Potential für mehrere Anwendungsgebiete:The layers according to the invention have potential for several areas of application:
a) Als transparente leitende Elektroden für die Solarzellen. Die Oberflächen-Rauheit der ZnO- Schichten ist zur Erhöhung des Wirkungsgrades durch das Licht-Trapping wichtig.a) As transparent conductive electrodes for the solar cells. The surface roughness of the ZnO layers is important for increasing the efficiency through light trapping.
b) C-Achsen-texturierte Schichten mit definierter Achsen-Orientierung zur Anwendung für die Mikro- systemtechnik 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.b) C-axis textured layers with defined axis orientation for use in microsystem technology and electronic components, such as SAW electronic signal filters and LEDs, in combination of the good piezo-electrical properties of the materials zinc oxide with the unsurpassed acoustic ZnO / Diamant / Si appear to be the promising candidates for SAW devices up to frequencies of 9 GHz.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung werden in den übrigen abhängigen Ansprüchen geschildert.Further advantageous developments of the present invention are described in the remaining dependent claims.
Es zeigen: Figuren la und lb theoretische Grundlagen zum aus- wachsen von Zinkoxid-Kristallen (hierauf wurde bereits weiter o- ben eingegangen) ,Show it: Figures la and lb theoretical foundations for the growth of zinc oxide crystals (this has already been discussed above),
Figuren 2a bis 2c das Wachstum erfindungsgemäßer • Zinkoxid-Schichten auf Substraten mit unterschiedlicher Geometrie,FIGS. 2a to 2c the growth of zinc oxide layers according to the invention on substrates with different geometries,
Figur 3 eine Gitteraufnahme einer Grenzfläche zwischen einer mit Aluminium dotierten Zinkoxid-Schicht sowie einem Substrat,FIG. 3 shows a lattice image of an interface between a zinc oxide layer doped with aluminum and a substrate,
Figuren 4a bis 4c verschiedene Ansichten einer erfindungsgemäßen Schicht, welche auf einer strukturierten Siliziumoberfläche abgeschieden wurde,FIGS. 4a to 4c show different views of a layer according to the invention which has been deposited on a structured silicon surface,
Figur 5 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Beschichtungs- anlage.Figure 5 shows the basic structure of a coating system according to the invention.
Bezüglich Figuren la und lb wird auf das bereits oben Gesagte verwiesen.With regard to Figures la and lb, reference is made to what has already been said above.
Figur 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.FIG. 2a shows a zinc oxide layer 9a growing on a flat substrate surface 10a. This consists of juxtaposed crystal columns 11a, which grow in the direction perpendicular to the plane of the substrate surface 10a. The layer thus grows in the c-axis, which is perpendicular to the (0001) surfaces of a zinc oxide crystal.
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]- Kristallflachen des Zinkoxides aufweist.Such a layer is produced by sputtering in a medium-frequency magnetron sputtering system, for example. According to the invention, it should be noted here that for clean growth in the direction perpendicular to the substrate surface, this by determining process parameters is set so that 2D growth occurs and that the substrate surface has a higher surface energy than the [0001] crystal surfaces of the zinc oxide.
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 ausge- wählt 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 Sub- stratoberflache liegt im [nm] - bis [μm] -Bereich.Glass (also quartz), polymer / plastic, thermally oxidized silicon or also silicon come into consideration as substrate materials. It should be emphasized that the substrate does not have to be selected on the basis of epitaxy, and amorphous substrates can also be selected. According to the invention, only the surface energy of the substrate and its microstructurable surface are decisive for the structure. The order of magnitude for the microstructures in the substrate surface is in the [nm] to [μm] range.
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.In principle, the zinc oxide layers growing on according to the invention can be doped or undoped. Whether or how much doping depends on the requirement profile for the layer to be deposited.
Während Zinkoxid in undotierter Form ein elektrischer Isolator ist, stellt z.B. mit Aluminium dotiertes Zinkoxid einen ausgezeichneten elektrischen Leiter dar.While zinc oxide in undoped form is an electrical insulator, e.g. zinc oxide doped with aluminum is an excellent electrical conductor.
Die in Figur 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.The layer 9a shown in FIG. 2a can be used as a transparent conductive electrode for solar cells. Here, the surface roughness of the zinc oxide layer 9a on the upper side 12a thereof is used to increase the efficiency by light traping.
Figuren 2b und 2c zeigen weitere Ausführungsformen erfindungsgemäßer Schichten, wobei die Substratoberfläche eine andere Geometrie als in Figur 2a auf- weist. Es soll nochmals hervorgehoben werden, daß im Vergleich zu den Verfahren nach dem Stand der Technik für die Erzeugung einer Schichttextur in einem Gasab- scheidungsprozeß die Texturbildung der Zinkoxid- Schichten erfindungsgemäß nicht vom Teilchen- oder Ionenflußfaktor abhängt und auch nicht auf die soge- nannten 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.FIGS. 2b and 2c show further embodiments of layers according to the invention, the substrate surface having a different geometry than in FIG. 2a. It should be emphasized again that compared to the methods according to the prior art for the generation of a layer texture in a gas deposition process, the texture formation of the zinc oxide layers according to the invention does not depend on the particle or ion flow factor and is also not attributable to the so-called van der drift evolution during layer growth. It is independent of the crystallographic structure of the substrate, it is determined solely by the process control and the geometry of the substrate or by the surface energy of the layer-substrate composite. This so-called self-extraction enables the layer structure to be designed and manufactured as required by the application, which is particularly important for the specific electronic and optical application. By using a specially structured substrate, the grain size and the surface morphology and the roughness of the deposited layers can be controlled according to the invention. The layer crystallites oriented in the C-axis can be produced on localized areas on the micrometer scale.
Im folgenden wird auf die Figuren 2b sowie 2c eingegangen. Soweit nicht ausdrücklich etwas anderes hier- zu gesagt wird, gilt vollumfänglich das zur Figur 2a gesagte.In the following, Figures 2b and 2c will be discussed. Unless expressly stated otherwise, what has been said for FIG. 2a applies in full.
Die Oberflächenstruktur des Substrates 10b in Figur 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 auswach- sen. Zum einen in den Richtungen Cl 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 Figur 2b gezeigten Säulengeometrie.In contrast to the substrate 10a, the surface structure of the substrate 10b in FIG. 2b is not flat, but rather shows spaced pyramid trenches and thus a sawtooth structure in section AA, the individual essentially triangular teeth being connected by flat intermediate pieces 13. This leads to the fact that the surfaces on the surface of the substrate 10b grow in a total of three directions. On the one hand in the directions Cl and C2, which are perpendicular to the flanks of the teeth of the substrate surface. Also in the direction C3, which is perpendicular to the flat intermediate sections 13. This results in a zinc oxide layer 9b with the column geometry shown in FIG. 2b.
Figur 2c zeigt eine weitere Ausführung eines Substrates 10c. Dieses weist direkt benachbarte Pyramidengräben und somit im Schnitt A'-A' eine reine Säge- zahnstruktur 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 Cl 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.FIG. 2c shows a further embodiment of a substrate 10c. This has directly adjacent pyramid trenches and thus, in section A'-A ', a pure sawtooth structure, there being no longer a parallel replacement between the essential triangular teeth. Here too, crystal growth always takes place in the direction perpendicular to the (0001) faces of the zinc oxide crystals, namely in the directions C1 and C2, which are each arranged perpendicular to the flanks of the teeth. This results in a layer 9c which has a different orientation than the layers 9a and 9b. The ZnO (0001) axis is perpendicular to the flanks. The structure of the layer can thus be adjusted by varying the flank angle.
Wie Figuren 2a bis 2c zeigen, liefert der Selbsttex- turierungsprozess die Möglichkeit, die Schichtstruk- tur 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 Schich- ten 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 Mikrosyste technik besitzt. Figur 3 zeigt eine Gitteraufnahme der Grenzfläche zwischen einer mit Aluminium dotierten Zinkoxidschicht sowie dem darunter liegenden Substrat aus Si- lizium. Die -Aufnahme ist entlang der [110] -Zone-Achse des Silizium-Kristalls aufgenommen worden. Die Anordnung der Zinkoxid-Schicht ist entsprechend der von Figur 2a. Die abgeschiedenen ZnO:AI-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 Si als Substrat verwendet. Blickt man das Bild entlang der Grenzflä- ehe ist es klar zu sehen, daß die auf der amorphen Si02-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 Al203 und amorphes ZnO können an der Korngrenze beobachtet werden. Der Säulendurchmesser beträgt ca. 30 n .As FIGS. 2a to 2c show, the self-texturing process provides the possibility of specifically designing and producing the layer structure, which is of crucial importance for the specific electronic and optical application. With a specially structured substrate surface, the grain size and surface morphology as well as the roughness of the layers for the photovoltaic technology can be deposited in a defined manner. The orientation (c-axis) of the layer crystallites can be generated in a controlled manner on a localized area in a microscale, which has an application potential due to the piezoelectric properties of ZnO in microsystem technology. FIG. 3 shows a grating image of the interface between a zinc oxide layer doped with aluminum and the underlying silicon substrate. The image was taken along the [110] zone axis of the silicon crystal. The arrangement of the zinc oxide layer corresponds to that of FIG. 2a. The deposited ZnO: Al layers and the interface structures between the ZnO layer and the substrate were examined using high-resolution transmission electron microscopy (HRTM). In order to differentiate or avoid the influence of the epitaxial effect, oxidized Si was used as the substrate. If you look at the image along the interface, it is clear to see that the crystallites grown on the amorphous Si0 2 layer are all oriented with their (0001) plane parallel to the substrate surface and form an almost perfect c-axis textured columns Structure at the interface. No secondary phase such as Al 2 0 3 and amorphous ZnO can be observed at the grain boundary. The column diameter is approx. 30 n.
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. Grenzflächenener- gien gesteuert ist. Aufgrund der niedrigen freien 0- berflächenenergie wird bevorzugt der ZnO [0001] (1,6 J/m2 ) parallel zur Substratoberfläche aufwachsen.This phenomenon provides a strong indication that precisely c-axis textured ZnO crystals can be deposited on an amorphous substrate without the influence of epitaxy. This also indicates that the orientation of the crystal is controlled by minimizing the surface or interface energies. Because of the low free surface energy, the ZnO (1.6 J / m 2 ) will preferably grow parallel to the substrate surface.
Figuren 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 Figur 2b gezeigten Struktur ähnliche Struktur, wobei jedoch die Spitzen der Zähne abgeschnitten sind. In Figur _4a .ist der Übergang von einem ebenen Abschnitt zu einem Flankenabschnitt des Substrats ge- zeigt.FIGS. 4a to 4c show a further zinc oxide layer in various sizes, which is applied to a silicon substrate. The substrate has one Structure similar to the structure shown in Figure 2b, but with the tips of the teeth cut off. The transition from a flat section to a flank section of the substrate is shown in FIG. 4a.
In Figur 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.A microscopy image is shown in FIG. 4b, a 50 nm comparison line is drawn in. Below the white line running through the middle of the image is silicon, above is the zinc oxide layer.
In Figur 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 jeweils hierzu parallel verlaufenden (111)- sowie (001)- Flächen des Siliziums eingezeigt.A further enlargement is shown in FIG. 4c, the alignment of the crystal lattices being recognizable. A 3 nm comparison line is shown in the lower right edge of the image. The directions of the [0001] faces are also shown. These are essentially horizontal in the area of the oblique flanks parallel to the flank surface and in the right-hand area of the image. For comparison, the (111) and (001) faces of the silicon running parallel to this are also shown.
Bei der in Figuren 4a bis 4c Anordnung wurde die Si- lizium-Oberflache 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.In the arrangement in FIGS. 4a to 4c, the silicon surface was structured in advance by wet chemical etching and the layer grown on it was examined and photographed. It is particularly noteworthy that the zinc oxide (0001) surface actually runs over the edge parallel to the substrate surface; it is thus shown that the layer microstructure can be manipulated by specifying the substrate surface.
Abschließend wird eine in Figur 5 gezeigt erfindungsgemäße Beschichtungsanlage vorgestellt.Finally, a coating system according to the invention shown in FIG. 5 is presented.
Die ZnO-Schichten wurden durch reaktives Mittelfre- quenz (MF) -Magnetronsputtern in einer Laborsputteran- lage 15 hergestellt. Der prinzipielle Aufbau dieser Sputteranlage ist in Figur 5 wiedergegeben:The ZnO layers were quenz (MF) magnetron sputtering produced in a laboratory sputtering system 15. The basic structure of this sputtering system is shown in FIG. 5:
Die Sputteranlage basiert auf einer kommerziellenThe sputtering system is based on a commercial one
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<4xl0~6 mbar gewährleistet.High vacuum coating system (PLS 580, company Pfeiffer). The system has a coolable and heatable recipient 1, which is evacuated via a turbopump system. A base pressure of p 0 <4xl0 ~ 6 mbar was guaranteed in all coating experiments.
Die MF-Sputterquelle 2 (TwinMag®, Fa. Leybold Systems) ist aus zwei konventionellen Planar- Magnetronkathoden vom Typ PK 500 (Targetformat : 488 x 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 maxima- len Leistungsdichte von P/A = 11,5 W/cm2. Sputtergas und Reaktivgas werden über jeweils zwei unabhängige Gaseinlaßsysteme 3 separat zugeführt.The MF sputter source 2 (TwinMag®, Leybold Systems) is made up of two conventional PK 500 planar magnetron cathodes (target format: 488 x 88 mm 2 ), which are connected to an MF generator via a special adaptation unit. The generator delivers a harmonic output signal with a frequency of 40 kHz. The maximum output power is 10 kW, which corresponds to a maximum power density of P / A = 11.5 W / cm 2 . Sputter gas and reactive gas are supplied separately via two independent gas inlet systems 3.
Sämtliche Gasflüsse werden über ein Reinstgassyste 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 x 50 mm2 aufnimmt. Ein solcher Substrathalter nimmt zugleich die drei Substratmaterialien Glas/Quarz (20 x20 mm2) thermisch oxidiertes Si (20 x20 mm2) und nicht oxidiertes Si (5 x 40 mm2) auf. Die Substrattemperatur kann durch einen Borcar- bid Strahlungsheizer 8 (mit einem zweiten Shutter) vorgegeben werden . Für Glassubstrate liegen Referenzmessungen zur Bestimmung der Substrattemperatur in Abhängigkeit der Heiztemperatur vor .All gas flows are supplied via a high-purity gas system and controlled via mass flow controllers. The gas purity is better than 4.8. For the work presented here, the system was provided with a on a controllable rotary drive 4 with a first shutter 5 and a rotatable substrate support platform 6 with a rotatable substrate holder 7, which accommodates a total of four substrates in the format 50 × 50 mm 2 . Such a substrate holder also accommodates the three substrate materials glass / quartz (20 x 20 mm 2 ) thermally oxidized Si (20 x 20 mm 2 ) and non-oxidized Si (5 x 40 mm 2 ). The substrate temperature can be controlled by a boron carbide radiant heater 8 (with a second shutter) be specified. For glass substrates, reference measurements are available to determine the substrate temperature depending on the heating temperature.
Im folgenden werden noch Beispielangaben für die erfindungsgemäßen Gleichgewichtsbedingungen beim Abscheiden angeführt :In the following, examples are given for the equilibrium conditions according to the invention during deposition:
Tabelle 1 : Prozessparameter für Reaktiv MF (mid- frequency) -Magnetron-Sputtern (RMFMS ) von ZNO : AI- Schichten im metallischen und Übergangsmodus .Table 1: Process parameters for reactive MF (mid-frequency) magnetron sputtering (RMFMS) from ZNO: Al layers in metallic and transition mode.
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Entsprechend dem oben erwähnten Wulff-Theorem sind die dominierenden Kristallflächen die mit der kleinsten Oberflächenenergie. Diese Flächen haben die Tendenz, parallel zum Substrat zu wachsen. Diese Tendenz erhöht sich bei Zunahme der Bindeenergie der Schicht auf das Substrat, wie in Fig. 1 schematisch gezeigt wurde. Da die (0001) Flächen von ZnO die niedrigste freie Energie haben [l,6J/m2 für (0001), 2f0J/m2 für (1120) und 3,4J/m2 für (1010)], werden sie versuchen, parallel zu Substratoberflächen (>2J/m2) aufzuwach- sen, wenn die Prozessparameter so eingestellt werden, dass der Prozess nahe dem thermodynamischen Gleichgewicht abläuft. Hat die Substratoberfläche nun ein Energieniveau von z.B. 1,8 J/m2 werden sich, sofern ein thermodynamisches Gleichgewicht vorliegt, allein bzw. primär ZnO (0001) -Keime bilden, und ein entsprechendes erfindungsgemäßes Schichtwachstum ist gewährleistet.According to the Wulff theorem mentioned above, the dominant crystal surfaces are those with the smallest surface energy. These areas tend to grow parallel to the substrate. This tendency increases as the binding energy of the layer onto the substrate increases, as has been shown schematically in FIG. 1. Since the (0001) areas of ZnO have the lowest free energy [1.6J / m 2 for (0001), 2 f 0J / m 2 for (1120) and 3.4J / m 2 for (1010)], they will try to wake up parallel to substrate surfaces (> 2J / m 2 ) If the process parameters are set so that the process runs close to the thermodynamic equilibrium. If the substrate surface now has an energy level of, for example, 1.8 J / m 2 , provided that there is a thermodynamic equilibrium, ZnO (0001) nuclei alone or primarily will form, and a corresponding layer growth according to the invention is ensured.
Die Struktur der Schichten ist stark von dem sogenannten Prozessmodus abhängig. Die c-Achse- orientierten ZnO-Schichten wurden im metallischen Modus (metallic mode) erhalten, der in einem Gleichgewichts- bzw. Nah-Gleichgewichtszustand abläuft. Die hierzu in Tabelle 1 dargestellten Werte sind lediglich für den Fachmann beispielhaft aufgeführt; selbstverständlich sind auch andere Wertepaare möglich, bei denen die Abscheidung im thermodynamischen Gleichgewicht verläuft (als Targetmaterial ist für die konventionellen Planar-Magnetronkathoden Zink mit einem 1, 5-Gewichtsprozent-Anteil Aluminium verwendet worden) . Wenn man den Partialdruck des Sauerstoffes verringert und die Ionen-Energiedichte zur ZnO- Schichtoberfläche entsprechend einstellt, wird auch ein Übergangs-Modus (transition mode) realisiert (Tabelle 1) . Die HRTEM-Untersuchungen zeigten, dass im Gegensatz zu den c-Achsen-texturierten Schichten im metallischen Modus, die Schichten, die unter einem Übergangs-Modus hergestellt wurden, statistisch ori- entiert sind und keine erfindungsgemäße Säulenstruktur aufweisen. Die erfindungsgemäß hergestellten ZnO- Schichten sind auch z.B. als Wellenleiter verwendbar. The structure of the layers is heavily dependent on the so-called process mode. The c-axis oriented ZnO layers were obtained in metallic mode, which takes place in an equilibrium or near-equilibrium state. The values shown in Table 1 for this purpose are only given as examples for the person skilled in the art; Of course, other pairs of values are also possible in which the deposition proceeds in thermodynamic equilibrium (zinc with a 1.5 percent by weight aluminum was used as the target material for the conventional planar magnetron cathodes). If the partial pressure of oxygen is reduced and the ion energy density to the ZnO layer surface is adjusted accordingly, a transition mode is also realized (Table 1). The HRTEM investigations showed that, in contrast to the c-axis textured layers in metallic mode, the layers which were produced under a transition mode are statistically oriented and have no column structure according to the invention. The ZnO layers produced according to the invention are also e.g. usable as waveguide.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Herstellung von dotierten und undotierten Zinkoxid-Schichten (9a, 9b, 9c) durch1. Process for the production of doped and undoped zinc oxide layers (9a, 9b, 9c)
L0 Gasphasenabscheidung auf ein Substrat (10a, 10b,L0 vapor deposition on a substrate (10a, 10b,
10c) , dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung der undotierten und dotieren Zinkoxid-Schichten eine Niederenergiefläche eines Schichtkristalls oberflächenparallel zur Geometrie des Substrates 5 aufwächst, so daß die Schichtstruktur durch geometrische Strukturierung des Substrats definiert hergestellt wird.10c), characterized in that to form the undoped and doped zinc oxide layers, a low-energy surface of a layer crystal grows parallel to the surface of the substrate 5, so that the layer structure is produced in a defined manner by means of the geometric structuring of the substrate.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat eine höhere Oberflächen- 0 energie als die Niederenergiefläche der Zink- o- xid (0001) -Kristallfläche hat und/oder die Prozeßparameter so eingestellt werden, daß ein zweidimensionales Schichtwachstum realisiert wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the substrate has a higher surface energy than the low energy surface of the zinc oxide (0001) crystal surface and / or the process parameters are set such that a two-dimensional layer growth is realized.
5 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein beliebiger amorpher o- der kristalliner Festkörperstoff sein kann, insbesondere Glas, Quarz oder thermisch oxidiertes Silizium sowie Polymer/Kunststoff.5 3. The method according to claim 2, characterized in that the substrate can be any amorphous or crystalline solid, in particular glass, quartz or thermally oxidized silicon and polymer / plastic.
0 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das .Substrat e- ben (10a) oder mikrostrukturiert (10b, 10c) ist. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the substrate is level (10a) or microstructured (10b, 10c).
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrostrukturierung in einem Querschnitt eine Sägezahnstruktur (10c) oder eine parallel verschobene Sägezahnstruktur (10b) auf- weist.5. The method according to claim 4, characterized in that the microstructuring in a cross section has a sawtooth structure (10c) or a sawtooth structure (10b) displaced in parallel.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasphasen- abscheidung durch PVD oder CVD erfolgt.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the gas phase deposition is carried out by PVD or CVD.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich- net, daß zum Sputtern eine RF- oder Mittelfre- quenz-Sputter-Quelle (2) mit einer Frequenz von 10 bis 100, vorzugsweise 40 kHz verwendet wird.7. The method according to claim 6, characterized in that an RF or medium-frequency sputtering source (2) with a frequency of 10 to 100, preferably 40 kHz is used for sputtering.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zinkoxid- Schicht mit Aluminium dotiert ist.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the zinc oxide layer is doped with aluminum.
9. Dotierte oder undotierte Zinkoxid-Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß diese nach einem Verfahren nach Patentanspruch 1-8 hergestellt ist.9. Doped or undoped zinc oxide layer, characterized in that it is produced by a method according to claims 1-8.
10. Schicht nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß diese eine transparente leitende Elektrode für Solarzellen, Flachbildschirme sowie elektrische Verglasung oder ein Wellenleiter ist.10. Layer according to claim 9, characterized in that it is a transparent conductive electrode for solar cells, flat screens and electrical glazing or a waveguide.
11. Schicht nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß diese für die Anwendung in der Elektronik und Mikrosystemtechnik wie z.B. als SAW-Signal- filter für Mobilfunkgeräte verwendbar ist. 11. Layer according to claim 9, characterized in that these for use in electronics and microsystem technology such as can be used as a SAW signal filter for mobile radio devices.
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