Metallorganisch chemische ... - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

2.2 Schichtabscheidung 19
erstoffpartialdruck in der Kammer kann die Sauerstoffkonzentration in der Schicht bestimmt
werden.
Bei der chemischen Dampfphasenabscheidung (CVD) werden die benötigten Elemente chemisch
an organische Moleküle gebunden. Diese sogenannten Prekursoren müssen einer Vielzahl
an Bedingungen genügen, um für die Abscheidung geeignet zu sein. Dadurch vergrößert
sich zwar insgesamt der Aufwand, da geeignete Prekursoren entwickelt werden müssen, es
erlaubt aber weitaus mehr Flexibilität, da die Abscheidung entkoppelt ist von der Impulsrichtung
der Atome und der Geometrie des Targets. So können abhängig vom Aufbau des Reaktors
fast beliebig große Flächen und komplexe geometrische Strukturen beschichtet werden.
2.2.2 Keimbildung und Wachstum
Während im vorangegangenen Kapitel die Phänomene vorwiegend auf der makroskopischen
Skala betrachtet wurden, sollen in diesem Kapitel die Zusammenhänge auf atomistischer Skala
betrachtet werden. Dies bezieht sich auf die Prozesse der Keimbildung und des Wachstums
der Schichten, die mit kleinen Variationen für alle Depositionsmethoden aus der Gasphase
gelten.
Alle bei der Schichtherstellung ablaufenden Nukleations- und Diffusionsprozesse hängen von
der Substrattemperatur, dem Druck im Reaktor und von der Zusammensetzung der Gasphase
ab. Kristallwachstum und Mikrostruktur der Schicht werden bestimmt durch Diffusion der
Atome zum Substrat und Diffusion auf der Oberfläche der wachsenden Schicht. Bei niedrigen
Temperaturen und hohen Wachstumsraten entstehen vorwiegend amorphe Schichten. Die
Adsorptionsrate erfolgt deutlich schneller als die Diffusion an der Oberfläche, so dass die
einzelnen Atome keine Zeit haben, zu einem regulären Platz im Kristallgitter zu gelangen. Im
Gegensatz dazu entstehen bei hohen Temperaturen und niedrigen Wachstumsraten eher epitaktische
Schichten. Hier ist die Oberflächendiffusion deutlich schneller als die Adsorptionsrate,
so dass den Atomen genügend Zeit bleibt, zu einer Wachstumskante zu diffundieren,
sich dort anzulagern und die Gitterstruktur des Substrats fortzusetzen. Im Übergangsbereich
zwischen Epitaxie und amorphem Wachstum bilden sich polykristalline, meist kolumnare
Strukturen. Im Nachfolgenden werden die einzelnen Prozesse von Adsorption, Nukleation
und Wachstum genauer beschrieben.
Atome, die auf eine Festkörperoberfläche auftreffen werden entweder unmittelbar reflektiert
oder lose gebunden. Diese sogenannten adsorbierten Atome oder Adatome diffundieren so
lange über die Oberfläche bis sie entweder desorbieren oder als stabiler Keim bzw. durch Anlagerung
an bereits vorhandene Keime kondensieren. Die Oberflächenbeweglichkeit der Adatome
ist durch die Substrattemperatur, ihre kinetische Energie beim Auftreffen und die Stärke
der Wechselwirkung zwischen den Adatomen und den Substratatomen gegeben. Ist diese
Wechselwirkung stark, so erhält man eine hohe Keimdichte. Durch die Anlagerung von weiteren
Adatomen wachsen die Keime zu Inseln, die zu einem mehr oder weniger zusammenhängenden
Film koaleszieren [37].