DE10155712B4

DE10155712B4 - Zinkoxid-Schicht und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10155712B4
Application number: DE10155712A
Authority: DE
Inventors: Jiang Xin; Bernd Szyszka; Jia Chunlin
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2001-11-09
Filing date: 2001-11-09
Publication date: 2009-07-16
Anticipated expiration: 2021-11-10
Also published as: WO2003040426A1; DE10155712A1; KR20040083414A; KR100957892B1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von dotierten und undotierten Zinkoxid-Schichten (9a, 9b, 9c) durch Gasphasenabscheidung auf ein Substrat (10a, 10b, 10c), dadurch gekennzeichnet, dass die Gasphasenabscheidung durch PVD oder CVD erfolgt und zum Sputtern eine RF- oder Mittelfrequenz-Sputter-Quelle (2) mit einer Frequenz von 10 bis 100 kHz verwendet wird und das Substrat im nm- bis μm-Bereich mit einer Mikrostruktur versehen wird und das Substrat eine höhere Oberflächenenergie als die Niederenergiefläche der Zinkoxid (0001)-Kristallfläche hat und zur Ausbildung der undotierten und dotierten Zinkoxid-Schichten diese Niederenergiefläche eines Schichtkristalls oberflächenparallel zur Geometrie des Substrates aufwächst, so dass die Schichtstruktur durch geometrische Strukturierung des Substrats definiert hergestellt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft dotierte sowie undotierte Zinkoxidschichten sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
ZnO hat eine Kristallstruktur nach Wurtz. Durch die Dotierung mit Metallelementen 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 (Chemi cal 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.
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 Eigenschaften wurden Abscheideverfahren durch die Anpassung der Depositionsparameter erprobt.
Die ZnO-Schichtstruktur, insbesondere die Korngröße und die Kristallorientierung, was für die Anwendungen sehr wichtig ist, ist nur in begrenzten Fällen wie zum Beispiel durch ein heteroepitaktisches Wachstum erzielbar. Eine ortsabhängige selektive Orientierung der Schichten ist bislang nicht möglich. Heteroepitaxie ist nach dem Stand der Technik geeignet, Schichten hoher Qualität zu erzeugen, sie ist aber kostenintensiv und nur bei bestimmten Unterlagen, deren Gitterparameter mit dem von ZnO übereinstimmt, möglich. Auf der anderen Seite haben die heteroepitaktisch abgeschiedenen Schichten eine bestimmte Orientierungsbeziehung zum Substrat und daher ist ihre Orientierung nicht frei wählbar. Die Beschränkungen bilden das Haupthindernis für die weitere Entwicklung in der Wissenschaft und Technologie der TCO-Schichten (Transparent Conductive Oxide).
Verfahren zur Herstellung von ZnO-Schichten sind aus Veröffentlichungen und Druckschriften bekannt. In der Druckschrift US 5 815 520 A ist ein heteroepitaktisches Wachstum von ZnO auf einem Substrat wie Saphir angezeigt. Hier ist die ZnO-Schicht vorzugsweise eine Ein-Kristall-Schicht, welche epitaktisch auf einem Saphir- oder Siliziumsubstrat gewachsen ist. Dabei wurde die Gitterkonstante des jeweils verwendeten Substrats berücksichtigt um gute Schichten von z. B. InGaAlN auf Silizium zu erzeugen. Dabei wird ZnO als Zwischenschicht (Buffer layer) genutzt.
Weit verbreitet ist überdies das Nutzen von Sputtertechniken zur Filmherstellung. Die Druckschrift JP 60 124 111 zeigt ein oberflächenelastisches Wellenelement, welches ein Siliziumsubstrat enthält auf dem eine Zinkoxid-Schicht gewachsen wurde. Die Zinkoxid-Schicht weist eine C-Achsen-Orientierung auf. Zur Herstellung der Zinkoxidschicht wurde eine Hochfrequenz-Sputtertechnik verwendet.
Ein Herstellen von ZnO:Al-Filmen mittels Mittelfrequenz-Magnetron-sputtern wurde im Journal "Thin Solid Films" 351 (1999) auf den Seiten 164–169 veröffentlicht. Aus der Druckschrift US 5 802 223 ist ebenfalls ein Verfahren bekannt, Aluminium dotiertes ZnO herzustellen. Ein (0001)-orientierter, Aluminium dotierter ZnO Film wurde auf einem Saphir-(0001)-monokristallinem Substrat mittels Hochfrequenz-Magnetronsputtern aufgebracht.
EP 1 005 096 A2 offenbart ein Dünnfilm-Solarzellenmodul, welches aus einer ersten Elektrodenschicht, einer Halbleiterschicht und einer zweiten Elektrodenschicht welche auf einem Substrat aufgedampft wurden, besteht. ZnO wird als Material für die erste Elektrodenschicht vorgeschlagen, die auf einem Glassubstrat mittels einer CVD- oder Sputtermethode aufgebracht wird.
Die Druckschrift EP 1 058 249 A1 zeigt unter Anderem die Verwendung von Metalloxiden wie SiO, In₂O₃ oder ZnO für optische Medien. Plasma-CVD (Chemical Vapor Deposition), Vakuumverdampfung und Sputtermethoden für die Herstellung von Metalloxid-Schichten in der Druckschrift EP 1 058 249 A1 erwähnt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Zinkoxid-Schicht zur Verfügung zu stellen, welche einerseits kostengünstig ist und andererseits eine größere Vielfalt geometrischer Strukturen der Zinkoxid-Schichten ermöglicht.
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 8 gelöst.
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 wie PVD oder CVD die Herstellung von Zinkoxid-Schichten, deren Schichtstruktur/-textur und Oberflächenrauheit durch eine Strukturierung (Patterning) des Substrates definiert bzw. kontrolliert werden können, ermöglicht wird. Zum Sputtern wird eine RF- oder Mittelfrequenz-Sputter-Quelle mit einer Frequenz von 10 bis 100 kHz, vorzugsweise 40 kHz verwendet. Das Substrat wird im nm- bis μm-Bereich mit einer Mikrostruktur versehen und hat eine höhere Oberflächenenergie als die Niederenergiefläche der Zinkoxid-(0001)-Kristallfläche. 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 Oberflächenenergie des Substrates sowie der Prozeßparameter, vor allem der Übersättigung der reaktiven Spezies in der Gasphase.
Die Keimbildungsmode (zwei- oder 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 Wachstumsrichtung 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.
Bei dem erfindungsgemäßen Schichtwachstum orientieren sich die auf dem Substrat gewachsenen Kristallite alle und bilden bereits an der Grenzfläche (Keimbildungsplätze) eine nahezu perfekt texturierte Säulen-Struktur aus. Der Prozeß wird durch die Oberflächen- bzw. Grenzflächenenergie des Schicht/Substrat-Materialverbundes und die Prozeßparameter gesteuert.
Wenn das Kristallmaterial den Keim auf einem Substrat im thermodynamischen Gleichgewicht bildet, ist die Form des wachsenden Kristalls von der Oberflächenenergie abhängig und hier gilt das Wulff-Theorem,
wobei Δμ die chemische Potentialvariation der Phasenumwandlung, ν das Partikelvolumen, σ_i die freie Energien der Oberfläche sowie β die Abtrennungsarbeit des Kristalls vom Substrat bedeuten.
Diese Zusammenhänge werden anhand von 1a und 1b näher erläutert.
1a zeigt den Fall eines dreidimensionalen Schichtwachstums. Hierbei ist β kleiner als σ_a (also die Oberflächenenergie der [0001]-Fläche der Zinkoxid-Struktur.
1b zeigt den Fall, in welchem β größer ist als 2σ_a. Hier ist eine hohe Wechselwirkung zwischen 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.
Laut dem Wulff-Theorem wird also die Fläche mit der niedrigsten Energie versuchen, parallel zur Substratoberfläche 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 gelingt, die Prozeßparameter so einzustellen, daß der Prozeß nahe dem thermodynamischen Gleichgewicht abläuft.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung 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 kristalline 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 Substrat eine höhere Oberflächenenergie als die Nichtenergiefläche des Zinkoxid (0001)-Kristallfläche hat und/oder die Prozeßparameter so eingestellt werden, daß ein zweidimensionales Schichtwachstum realisiert wird.
Als Substrate kommen für eine kostengünstige Fertigung insbesondere Glas, thermisch oxidiertes Silizium bzw. Silizium in Betracht.
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 verschobene Sägezahnstrukturen auf, welche dann jeweils unterschiedliche Ausführungen von darauf aufwachsenden Kristallsäulen erzeugen.
In den unterschiedlichen Weiterbildungen können beliebige Gasphasenabscheidungsverfahren verwendet werden, welche nach dem Stand der Technik bekannt sind.
Dies sind insbesondere PVD oder CVD. Hierbei bietet es sich insbesondere an, beim Sputtern eine RF (Radio-Frequency) oder eine Mittelfrequenz-Sputterquelle mit einer Betriebsfrequenz von 10 kHz bis 100 kHz (vorzugsweise 40 kHz) zu verwenden.
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.
Die erfindungsmäßigen Schichten besitzen ein Potential für mehrere Anwendungsgebiete:

a) Als transparente leitende Elektroden für die Solarzellen. Die Oberflächen-Rauheit der ZnO-Schichten ist zur Erhöhung des Wirkungsgrades durch das Licht-Trapping wichtig.
b) C-Achsen-texturierte Schichten mit definierter Achsen-Orientierung zur Anwendung für die Mikrosystemtechnik 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.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung werden in den übrigen abhängigen Ansprüchen geschildert.
Es zeigen:
1a und 1b theoretische Grundlagen zum auswachsen von Zinkoxid-Kristallen (hierauf wurde bereits weiter oben eingegangen),
2a bis 2c das Wachstum erfindungsgemäßer Zinkoxid-Schichten auf Substraten mit unterschiedlicher Geometrie,
3 eine Gitteraufnahme einer Grenzfläche zwischen einer mit Aluminium dotierten Zinkoxid-Schicht sowie einem Substrat,
4a bis 4c verschiedene Ansichten einer erfindungsgemäßen Schicht, welche auf einer strukturierten Siliziumoberfläche abgeschieden wurde.
5 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage.
Bezüglich 1a und 1b wird auf das bereits oben Gesagte verwiesen.
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.
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]-Kristallflächen des Zinkoxides aufweist.
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 ausgewählt 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 Substratoberfläche liegt im [nm]- bis [μm]-Bereich.
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. Während Zinkoxid in undotierter Form ein elektrischer Isolator ist, stellt z. B. mit Aluminium dotiertes Zinkoxid einen ausgezeichneten elektrischen Leiter dar.
Die in 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.
2b und 2c zeigen weitere Ausführungsformen erfindungsgemäßer Schichten, wobei die Substratoberfläche eine andere Geometrie als in 2a aufweist. Es soll nochmals hervorgehoben werden, daß im Vergleich zu den Verfahren nach dem Stand der Technik für die Erzeugung einer Schichttextur in einem Gasabscheidungsprozeß die Texturbildung der Zinkoxid-Schichten erfindungsgemäß nicht vom Teilchen- oder Ionenflußfaktor abhängt und auch nicht auf die sogenannten 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.
Im folgenden wird auf die 2b sowie 2c eingegangen. Soweit nicht ausdrücklich etwas anderes hierzu gesagt wird, gilt vollumfänglich das zur 2a gesagte.
Die Oberflächenstruktur des Substrates 10b in 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 auswachsen. Zum einen in den Richtungen C1 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 2b gezeigten Säulengeometrie.
2c zeigt eine weitere Ausführung eines Substrates 10c. Dieses weist direkt benachbarte Pyramidengräben und somit im Schnitt A'-A' eine reine Sagezahnstruktur 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 C1 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.
Wie 2a bis 2c zeigen, liefert der Selbsttexturierungsprozess die Möglichkeit, die Schichtstruktur 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 Schichten 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 Mikrosystemtechnik besitzt.
3 zeigt eine Gitteraufnahme der Grenzfläche zwischen einer mit Aluminium dotierten Zinkoxidschicht sowie dem darunter liegenden Substrat aus Silizium. Die Aufnahme ist entlang der [110]-Zone-Achse des Silizium-Kristalls aufgenommen worden. Die Anordnung der Zinkoxid-Schicht ist entsprechend der von 2a. Die abgeschiedenen ZnO:Al-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 S1 als Substrat verwendet. Blickt man das Bild entlang der Grenzfläche ist es klar zu sehen, daß die auf der amorphen SiO₂-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 Al₂O₃ und amorphes ZnO können an der Korngrenze beobachtet werden. Der Säulendurchmesser beträgt ca. 30 nm.
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. Grenzflächenenergien gesteuert ist. Aufgrund der niedrigen freien Oberflächenenergie wird bevorzugt der ZnO [0001] (1,6 J/m²) parallel zur Substratoberfläche aufwachsen.
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 2b gezeigten Struktur ähnliche Struktur, wobei jedoch die Spitzen der Zähne abgeschnitten sind. In 4a ist der Übergang von einem ebenen Abschnitt zu einem Flankenabschnitt des Substrats gezeigt.
In 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.
In 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 je weils hierzu parallel verlaufenden (111)- sowie (001)-Flächen des Siliziums eingezeigt.
Bei der in 4a bis 4c Anordnung wurde die Silizium-Oberfläche 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.
Abschließend wird eine in 5 gezeigt erfindungsgemäße Beschichtungsanlage vorgestellt.
Die ZnO-Schichten wurden durch reaktives Mittelfre quenz(MF)-Magnetronsputtern in einer Laborsputteranlage 15 hergestellt. Der prinzipielle Aufbau dieser Sputteranlage ist in 5 wiedergegeben:
Die Sputteranlage basiert auf einer kommerziellen 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 < 4 × 10^-6 mbar gewährleistet.
Die MF-Sputterquelle 2 (TwinMag^®, Fa. Leybold Systems) ist aus zwei konventionellen Planar Magnetronkathoden vom Typ PK 500 (Targetformat: 488 × 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 maximalen Leistungsdichte von P/A = 11,5 W/cm². Sputtergas und Reaktivgas werden über jeweils zwei unabhängige Gaseinlaßsysteme 3 separat zugeführt.
Sämtliche Gasflüsse werden über ein Reinstgassystem 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 × 50 mm² aufnimmt. Ein solcher Substrathalter nimmt zugleich die drei Substratmaterialien Glas/Quarz (20 × 20 mm²) thermisch oxidiertes Si (20 × 20 mm²) und nicht oxidiertes Si (5 × 40 mm²) auf. Die Substrattemperatur kann durch einen Borcarbid Strahlungsheizer 8 (mit einem zweiten Shutter) vorgegeben werden. Für Glassubstrate liegen Referenzmessungen zur Bestimmung der Substrattemperatur in Abhängigkeit der Heiztemperatur vor.

Claims

Verfahren zur Herstellung von dotierten und undotierten Zinkoxid-Schichten (9a, 9b, 9c) durch Gasphasenabscheidung auf ein Substrat (10a, 10b, 10c), dadurch gekennzeichnet, dass die Gasphasenabscheidung durch PVD oder CVD erfolgt und zum Sputtern eine RF- oder Mittelfrequenz-Sputter-Quelle (2) mit einer Frequenz von 10 bis 100 kHz verwendet wird und das Substrat im nm- bis μm-Bereich mit einer Mikrostruktur versehen wird und das Substrat eine höhere Oberflächenenergie als die Niederenergiefläche der Zinkoxid (0001)-Kristallfläche hat und zur Ausbildung der undotierten und dotierten Zinkoxid-Schichten diese Niederenergiefläche eines Schichtkristalls oberflächenparallel zur Geometrie des Substrates aufwächst, so dass die Schichtstruktur durch geometrische Strukturierung des Substrats definiert hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessparameter so eingestellt werden, dass ein zweidimensionales Schichtwachstum realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein beliebiger amorpher oder kristalliner Festkörperstoff sein kann, insbesondere Glas, Quarz oder thermisch oxidiertes Silizium sowie Polymer/Kunststoff.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eben (10a) oder mikrostrukturiert (10b, 10c) ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturierung in einem Querschnitt eine Sägezahnstruktur (10c) oder eine parallel verschobene Sägezahnstruktur (10b) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Sputtern eine RF- oder Mittelfrequenz-Sputter-Quelle (2) mit einer Frequenz von 40 kHz verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zinkoxid-Schicht mit Aluminium dotiert ist.
Dotierte oder undotierte Zinkoxid-Schicht, dadurch gekennzeichnet, dass diese nach einem Verfahren nach Patentanspruch 1–7 hergestellt ist.
Schicht nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine transparente leitende Elektrode für Solarzellen, Flachbildschirme sowie elektrische Verglasung ist.
Schicht nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass diese für die Anwendung in der Elektronik und Mikrosystemtechnik, insbesondere als SAW-Signalfilter für Mobilfunkgeräte verwendbar ist.