Metallorganisch chemische ... - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

2.2 Schichtabscheidung 23
a) Prekursoren
Das Wort Prekursor könnte als Vorläufer übersetzt werden und wird in der Chemie allgemein
für molekulare Ausgangssubstanzen einer chemischen Reaktion verwendet. Die für den
MOCVD Prozess von Metalloxiden benötigten Metalle werden dazu in eine chemisch passende
Form gebracht, um einer Reihe von Anforderungen zu genügen. Nach A.C. Jones [39]
sind dies:
1. Angemessene Flüchtigkeit, um akzeptable Wachstumsraten bei gemäßigten Verdampfertemperaturen
zu erreichen.
2. Ein ausreichend großes Temperaturfenster zwischen Verdampfung und thermischer
Zersetzung.
3. Saubere Abscheidung ohne den Einbau von Rückständen in die Schicht.
4. Eine gute Kompatibilität mit den anderen am Wachstum beteiligten Prekursoren.
5. Gute Haltbarkeit.
6. Herstellung bei hoher Ausbeute und niedrigen Kosten.
7. Niedrige Gefährdung und Toxizität.
Die gebräuchlichsten metallorganischen Verbindungen zur Herstellung elektrokeramischer
Dünnschichten sind Metall-Alkyle, Metall-Alkoxide, Metall-β-Diketonate und Metall-
Alkylamide. Metall-Alkyle haben die allgemeine Form M n+ Rn, wobei R eine Kohlenwasserstoffkette
der Form CmH2m+1 beschreibt. Ein Beispiel für einen Metall-Alkyl-Prekursor ist
Tetraetylblei mit der chemischen Formel Pb(C2H5)4. Metall-Alkyle sind relativ flüchtig, erreichen
daher schon bei niedrigen Temperaturen hohe Dampfdrücke. Nachteile dieser Verbindungen
sind ihre relativ hohe Giftigkeit und ihre geringe Beständigkeit gegen Wasser und
Sauerstoff.
Metall-Alkoxide haben die Form M n+ (OR)n, die Kohlenwasserstoffketten sind also über ein
zusätzliches Sauerstoffatom angekoppelt. Bekannte Beispiele für Metall-Alkoxide sind Titan-
Isopropoxid Ti(O-iPr)4 mit der chemischen Formel Ti(O i C3H7)4. Verglichen mit den entsprechenden
Alkyl-Verbindungen sind Metall-Alkoxide stabiler, weniger flüchtig und weniger
toxisch.
Die Grundstruktur der β-Diketonate, die chelatbildend das Isopropoxid ersetzen, ist in Abbildung
2.11 wiedergegeben. Die beiden Liganden R1, R2 können durch verschiedene Alkyle
oder Fluoralkyle gebildet werden und haben großen Einfluss auf die Stabilität und Flüchtigkeit
des Prekursors.
R1 = R2 = CH3
R1 = R2 = C(CH3)3
R1 = CH3, R2 = C(CH3)3
R1 = CH3, R2 = CF3
R1 = C(CH3)3, R2 = CF3
R1 = R2 = CF3
R1 = R2 = C6H5
Abbildung 2.11: Beispiele für β-Dikettonate Liganden, nach [41]
Acetylacetonate (acac)
Tetrametylheptandionate (thd)
1,1-Dimethylhexan-3,5-dionat (dhd)
Trifluoroacetylacetonate (tfa)
Trifluorodimethylhexanedionate (fdh)
Hexafluoroacetylacetonate (hfa)
Dibenyzoylmethanate (dbm)
Durch geeignete Auswahl der Liganden können die Eigenschaften der β-Diketonate in weiten
Bereichen eingestellt werden. So steigt zum Beispiel die Flüchtigkeit des Prekursors mit der
räumlichen Ausdehnung der beiden Alkyle und mit deren Fluorgehalt [40]. Eine Erhöhung