Anwendung und Weiterentwicklung der Ionenstrahlsputterdeposition : Entkopplungsansätze für eine nachhaltige Dünnschichtabscheidung

Abstract

Für die Speicherung, Einsparung, den Transport und die Nutzung von Energie existieren zahlreiche etablierte Lösungen, bei denen funktionale Dünnschichten häufig eine zentrale Rolle spielen. Viele dieser Technologien beruhen jedoch auf fossilen Energieträgern oder dem Einsatz kritischer Materialien. Die vorliegende Arbeit widmet sich daher der Ionenstrahlsputterdeposition im Kontext von Substitutionsmaterialien für nachhaltige Energietechnologien. Diese Methode zur Abscheidung funktionaler Dünnschichten wurde zunächst dafür genutzt, neuartige Heterostrukturen zu synthetisieren. Mithilfe von Röntgenphotoelektronenspektroskopie wurden diese Heterostrukturen hinsichtlich ihrer Eignung für sogenannte All-Oxide-Dioden untersucht. Dabei wurden die Banddiskontinuitäten der erzeugten pn-Übergänge bestimmt und miteinander verglichen. Da ausschließlich Metalloxide verwendet werden, verspricht der All-Oxide-Ansatz den Einsatz leicht verfügbarer, nachhaltiger Materialien. Darüber hinaus wurde die Ionenstrahlsputterdeposition eingesetzt, um die Metalllegierung NiCr8020 mit niedrigem Temperaturkoeffizienten abzuscheiden. Diese Legierung findet Anwendung in Bauteilen zur präzisen Strommessung über große Temperaturbereiche – etwa in Batteriesystemen für die Elektromobilität. Es konnte gezeigt werden, dass sich der Temperaturkoeffizient durch Modulierung der Prozessparameter bei der Ionenstrahlsputterdeposition effektiv kontrollieren lässt. Im weiteren Verlauf wurde die Ionenstrahlsputterdeposition selbst optimiert. Ziel war es, durch gezielte Modifikationen des Wachstumsapparats, die Abscheiderate zu erhöhen, ohne die Schichtqualität zu beeinträchtigen. Hierzu wurden Metalloxidschichten abgeschieden und mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie, Rasterkraftmikroskopie, Ellipsometrie, Röntgenbeugung und -reflektometrie umfassend charakterisiert. Es zeigte sich, dass durch die räumliche Entkopplung von Inert- und Reaktivgas sowohl die Depositionsrate als auch die Schichtqualität signifikant verbessert werden konnten. Abschließend wurden die Wachstumsprozesse in-situ mittels optischer Emissionsspektroskopie analysiert. Unter Anwendung eines collisional radiative models konnte die lokale Dichte atomaren Sauerstoffs für verschiedene Reaktivgaseinlasspositionen quantifiziert werden. Die Untersuchungen führten zu einem tieferen Verständnis des Prozesses und erlaubten die Entwicklung eines vereinfachten, kostengünstigen Spektrometers. Dieses ermöglicht es, den Wachstumsprozess effizient zu überwachen und Ausschuss durch rechtzeitigen Abbruch zu vermeiden.