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

Köhl, Dominik; Wuttig, Matthias

doi:999910036033

The influence of energetic bombardment on the structure formation of sputtered zinc oxide films : development of an atomistic growth model and its application to tailor thin film properties = Der Einfluß von energetischem Ionenbeschuß auf die Strukturbildung gesputterter Zinkoxid-Schichten : Entwicklung eines atomistischen Wachstumsmodells und dessen Anwendung zur Maßschneiderung von Eigenschaften dünner Schichten

Köhl, Dominik (Author)

2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dominik Köhl

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

Umfang197 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-02-17

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-35985
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/64301/files/3598.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Strukturbildung (Genormte SW) ; Zinkoxid (Genormte SW) ; Reaktives Sputtern (Genormte SW) ; Sputtern (Genormte SW) ; Beschichten (Genormte SW) ; Physik (frei) ; ionenstrahlgestütztes Sputtern (frei) ; IBAD (frei) ; IBAS (frei) ; zinc oxide (frei) ; reactive sputtering (frei) ; ion assisted deposition (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
pacs: 68.55.jm * 68.55.ag * 81.15.Aa * 81.15.Jj * 81.15.Cd

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

The focus of this work is the investigation of the growth of zinc oxide (ZnO) thin films. This material has attained increasing scientific interest during the last decade. Particularly, doped zinc oxide films have become the material of choice in the fabrication of transparent electrodes for silicon thin film solar cells. Another market segment where zinc oxide films are utilized is the fabrication of low-emissivity architectural glazing. The functionality of these energy saving windows arises from a combination of high optical reflectivity in the infrared spectral region with optimum transparency in the visible regime. This prerequisite could be easily achieved with an arbitrarily complex multi-layer stack. Competition however requires minimization of production costs. Therefore, typically one or two very thin silver films in combination with a minimum number of anti-reflective oxide layers are utilized. Maximization of production efficiency requires tweaking each single layer for optimum performance, which is particularly true for the silver films. For this reason, zinc oxide films are utilized as seed layers for silver film growth since their close epitaxial relationship significantly promotes the formation of a well-ordered silver crystal structure with a preferred orientation. Thus, optimizing silver layer performance requires mastering zinc oxide film growth. A common feature of these applications of zinc oxide thin films is that if material properties can be significantly improved, either the device efficiency can be maximized and/or the production costs can be minimized. It is therefore highly desirable to establish a thorough understanding of zinc oxide film growth. Particularly, this understanding must include the influence of energetic ion bombardment, a feature which is inherent in the coating process. For the applications mentioned above zinc oxide is most commonly deposited in large scale onto amorphous float glass substrates by a deposition process far away from thermodynamic equilibrium: sputter deposition. Consequently, films often exhibit kinetically controlled structures. However, a self-texturing mechanism of zinc oxide that might originate from thermodynamics typically leads to high structural order with increasing film thickness. In spite of that mechanism there is unused potential since films are often weakly textured in the initial growth stage, a fact which also limits the achievable maximum in the structural order of thick films. Particularly in the fabrication of low-emissivity coatings, where very thin zinc oxide films are utilized, device performance critically depends on the structural quality obtained in the early growth stage of zinc oxide. It is therefore vital to understand how different process parameters affect structure formation. In the literature on zinc oxide thin films it is comprehensively portrayed that films often exhibit structural inhomogeneities along the growth direction if grown on amorphous (non-epitaxial) substrates. Also, the detrimental influence of highly energetic oxygen ion bombardment on film growth in general is extensively discussed. However, literature on possible positive influences of tailored ion bombardment is rare; just as literature on possible correlations between different growth stages of the zinc oxide films and the extent of structural modification/damage caused by ion bombardment. Closing this gap is the scope of this work. It will be demonstrated that with a modified, ion beam assisted sputtering (IBAS) process, zinc oxide films can be deposited which exhibit a markedly improved crystalline order. Furthermore, it will be demonstrated that intense energetic oxygen ion bombardment can be utilized to change film texture from the typical (002)-self-texture to an a-axis texture where the (002)-planes are perpendicular to the substrate surface. An understanding of the underlying mechanisms will be developed which also facilitates a more detailed understanding of the action of ion bombardment during zinc oxide film growth. It will be shown that zinc oxide films are susceptible to the influence of ion bombardment particularly in the nucleation regime of growth and that this finding is generally true for all observed structural changes induced by ion bombardment with various species, energies and flux densities. These findings will therefore allow answering fundamental questions regarding the mechanisms governing structural evolution of zinc oxide thin films, which is also the scope of this work. It will be demonstrated not only that the initial growth stage plays an important role in the formation of a preferred growth orientation but also that the action of texture forming mechanisms in subsequent growth stages is comparatively weak.

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