Untersuchung des reaktiven Sputterprozesses zur Herstellung von ...

150 8. Zusammenfassung und Ausblick
reicherung des Dotierstoffes in den ZnO:Al-Schichten gegenüber den verwendeten Targets. Der
Aluminiumgehalt in den ZnO:Al-Schichten wurde durch die Wahl der Targets und der Depositionsbedingungen
zwischen 0,5 at% und 8 at% variiert. Für einen Aluminiumgehalt CAl zwischen
3 at% und 4 at% wurde die beste Leitfähigkeit erzielt, während die höchsten Beweglichkeiten bis
zu 42 cm 2 /Vs bei CAl ≈ 2 at% beobachtet wurden. Die Reduktion der Aluminiumkonzentration
in den ZnO:Al-Schichten führte zu einer Erweiterung des transparenten Wellenlängenbereiches
ins nahe Infrarot. Aufgrund des geringeren Ionenradius des Aluminiums im Vergleich zum Zink
wurde in Abhängigkeit vom Aluminiumgehalt eine Kontraktion des Kristallgitters beobachtet.
Zur Erzielung hoher Beweglichkeiten in ZnO:Al-Schichten ist neben einem geringen Aluminiumgehalt
zusätzlich eine hohe Substrattemperatur erforderlich. Eine kritische Beanspruchung
der Sputteranlage durch die hohe Substrattemperatur konnte nicht festgestellt werden. Eine Beschränkung
der Substrattemperatur auf TS < 150 ◦ C [Szyszka et al. (2003)] ist nach den vorliegenden
Ergebnissen nicht notwendig. Für die Entwicklung von ZnO:Al-Frontkontakten für
Silizium-Dünnschichtsolarzellen mit mikrokristalliner Absorberschicht sind hohe Substrattemperaturen
bei der Herstellung der ZnO:Al-Schichten sogar unvermeidbar, um hohe Wirkungsgrade
zu erzielen.
Die Charakterisierung statischer Depositionen zeigte eine starke Abhängigkeit der elektrischen
und strukturellen Eigenschaften, sowie des Ätzverhaltens von der Position vor dem Kathodensystem.
Der niedrigste spezifische Widerstand von 2 · 10 −4 Ωcm wurde an statisch abgeschiedenen
ZnO:Al-Schichten an der Position zwischen den Targets beobachtet. Die Sputtergräben
zeichnen sich im Vergleich zu den benachbarten Positionen durch einen deutlich höheren
spezifischen Widerstand, stärkere Druckspannungen und eine der Säure gegenüber resistentere
Schichtstruktur aus. Die Größe der meist kraterförmigen Ätzstrukturen nimmt von der Mitte zum
Rand des Kathodensystems zu, während die Dichte der Angriffspunkte der Ätzmedien deutlich
abnimmt. Die Variationen der Eigenschaften statisch abgeschiedener Schichten werden im Wesentlichen
durch den unterschiedlichen Ionenbeschuss und die Reaktivgasverteilung vorgegeben.
Bei dynamischem Sputtern bildet sich daraus ein Mehrschichtsystem, bei dessen Optimierung
die Schichteigenschaften des Statikabdruckes berücksichtigt werden müssen.
Dynamisch gesputterte ZnO:Al-Schichten mit hoher Leitfähigkeit und hoher Transparenz
können über einen weiten Druckbereich abgeschieden werden. Eine hohe Substrattemperatur
wirkt sich meist günstig auf die elektrischen und optischen Eigenschaften aus. Bei Erhöhung
des Depositionsdruckes über etwa 4 Pa kann ein struktureller Übergang zu einer eher porösen
Schichtstruktur mit reduzierter kristallographischer Textur beobachtet werden. Während eines
Ätzschrittes in Salzsäure entwickeln die ZnO:Al-Schichten verschiedene Oberflächenstrukturen,
anhand derer sie innerhalb des Parameterraumes aus Druck und Temperatur in drei Gruppen
eingeteilt werden können: Im unteren Druckbereich (pDep � 1 Pa) entstehen vereinzelte, große