Ionenstrahlsputterdeposition von Metalloxiden

Abstract

Diese Arbeit befasst sich mit dem Aufbau, der Weiterentwicklung sowie der praktischen Anwendung einer Vakuumanlage zur Ionenstrahlbearbeitung von Festkörpern. Fokus bildet dabei die Zerstäubung festen Materials zur Herstellung dünner Schichten. In diesem Rahmen werden die in Gießen entwickelten und gebauten Ionenquellen RIM-10 und RIM-4 verglichen und entsprechend der Anforderungen unterschiedlicher Materialbearbeitungsprozesse charakterisiert.Es werden Dünnschichten diverser Metalloxide (Magnesium-, Nickel-, Zink-, Titan- und Zinnoxid) mittels Ionenstrahlsputterdeposition (IBSD) abgeschieden und auf ihre Materialeigenschaften hin untersucht. Als Modellsysteme dienen zunächst die einfachen kubischen Materialien MgO und NiO. Dabei können äquivalente Wachstumsorientierungen festgestellt werden - (111)-orientierte Dünnschichten auf a- und c-Saphir sowie stark verkippt auf r-Saphir. Auf m-Saphir schließlich wachsen Dünnschichten auf, welche nach Auswertung von Röntgenbeugungsuntersuchungen nur eine einzige Kristallit-Domäne besitzen. NiO zeigt eine vergleichsweise stärkere Sensibilität auf die Variation von Substrattemperatur und Gasgemisch, zurückzuführen auf die Nutzung eines metallischen Ni-Targets. Der methodenbedingte Nickelüberschuss wird durch nachträgliche Anlassprozesse abgebaut. Um die Stärke der verwendeten Sputtermethodik zu unterstreichen, Halbleiter relativ unverspannt in dünnen Schichten homogen abscheiden zu können, werden weiterhin die Metalloxide ZnO und TiO2 untersucht. Diese kristallisieren hexagonal beziehungsweise tetragonal und zeigen daher auf dem hexagonalen Saphirsubstrat Orientierungsbeziehungen, welche sich von denen der kubischen Systeme MgO und NiO stark unterscheiden.Kern der materialspezifischen Untersuchungen dieser Ausarbeitung bildet das Binärsystem Zinnoxid, welches im Rahmen der vorliegenden Arbeit erstmals am I. Physikalischen Institut deponiert wurde. Im Gegensatz zu den zuvor behandelten Binärsystemen liegen im untersuchten Parameterraum mehrere Phasen vor, welche mit IBSD prozessiert und experimentellen Materialuntersuchungen zugänglich gemacht werden. Eine Variation des Sauerstoffflusses ändert die Zusammensetzung der wachsenden Schicht von einer Mischung aus metallischem Zinn und Zinnmonoxid über reines SnO bishin zu Zinndioxid. Eigenschaften einiger Proben deuten weiterhin Anteile intermediärer Phasen an. Für diese wird durch das Zusammenspiel aus Experiment und Theorie die Stöchiometrie zu Sn3O4 bestimmt. Alle Kenntnisse münden in ein Phasenschema, in welchem in Abhängigkeit von Inert- und Reaktivgasfluss die zu erwartende Phase abgelesen werden kann. Eine Optimierung durch Variation der Systemparameter Gasgemisch, Wachstumstemperatur, Hochfrequenzleistung und Extraktionsspannungen ermöglicht es, alle genannten Zinnoxidphasen zu stabilisieren und einzelne Prozessfenster zu definieren.Für alle im Rahmen dieser Arbeit getesteten Materialien wird eine Optimierung der kristallinen und optischen Eigenschaften vorgenommen. Dabei ist weder die Kristallstruktur bestimmter Metalloxide hinderlich noch limitierende Prozessgrenzen. Allerdings zeigen sich methodenbedingte Nachteile wie niedrige Sputterausbeuten oder Winkelabhängigkeiten, welche die homogene Beschichtung großflächiger Proben erschweren. Durch IBSD hergestellte Filme zeigen weiterhin verbesserte Eigenschaften der Oberflächenqualität sowie sehr gute Reproduzierbarkeit. Für alle untersuchten Materialsysteme ergibt sich unabhängig von den gewählten Prozessparametern eine charakteristische Schichtdicke, ab welcher sich die Materialeigenschaften signifikant verschlechtern. So bleiben beispielsweise die Halbwertsbreiten der Rocking-Kurven unterhalb dieser Dicke recht klein (etwa 100 Bogensekunden) und steigen erst danach signifikant an. Diesen Verlauf geben ebenso die Oberflächenrauigkeiten, vermessen mit Rasterkraftmikroskopie, wieder. Aufgrund der kleinen Sputterraten wachsen die synthetisierten Dünnschichten zunächst homogen auf, was beispielsweise das Auftreten von Pendellösungen in Übersichtsdiffraktogrammen in Aussicht stellt. Der Nutzen dieses Wachstumsmechanismus IBSD-prozessierter Dünnschichten wird anhand von Anwendungen als Pufferschichten verdeutlicht.Neben den binären Ausgangsmaterialien wird ebenfalls die Möglichkeit zur Bildung ternärer Mischsysteme über den gesamten Kompositionsbereich hinweg untersucht. Dazu wird die bestehende Depositionsanlage mit zwei kleineren Ionenquellen betrieben, welche den dualen Betrieb erlauben. Der Übergang zu ternären Mischsystemen lässt eine Variation der Materialeigenschaften zu, welche sich beispielsweise in einer Modifikation der optischen Bandlückenenergie äußert. Anhand dieser werden die hergestellten Kompositionsgradienten evaluiert und die exakten Elementzusammensetzungen korreliert. Nachweislich ist die Herstellung vieler unterschiedlicher Kompositionen mit wenigen Depositionen und damit eine signifikante Erhöhung der Wirtschaftlichkeit möglich.