Gasfluss-gesputterte Siliziumschichten

Da reines Silizium seit Jahrzehnten das Basiselement der Mikroelektronik ist, werden neuartige Silizium-Abscheideprozesse entwickelt und untersucht. Einer dieser Prozesse nutzt das am Fraunhofer IST entwickelte Hohlkathoden-Gasfluss-Sputtern (GFS).

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Neue Materialien für schaltbare Verglasungen

Die Nachfrage nach schaltbaren Verglasungen steigt aus Gründen des Komforts und wachsender Energiekosten stetig. Die dafür benötigten elektrochromen Schichten werden am Fraunhofer IST entwickelt.

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Reaktiv gesputtertes ZnO:Al vom Doppelrohrmagnetron

Für die Produktion von Dünnschichtsolarzellen werden transparente, leitfähige Schichten (TCOs) als Frontkontakte benötigt. Das Fraunhofer IST verfügt über einen reaktiven Sputter­prozess von metallischen Targets, der das Potenzial besitzt, den herkömmlichen DC-Sputterprozess von keramischen Targets abzulösen.

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Pd-Gastrennmembranen für die Wasserstoffseparation

Die Nachfrage nach sauberer und grüner Energie hat den Verbrauch von Wasserstoff in den letzten Jahren kontinuierlich steigen lassen. Das Fraunhofer IST arbeitet daher gemeinsam mit Kooperationspartner an einem Lösungsansatz, kleine und mittlere Wasser­stoff­mengen wirtschaftlich zu produzieren.

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Widerstandsmessung für Batteriefolien

Für die zuverlässige Bestimmung elektrischer Eigenschaften von gefertigten Batteriefolien und -elektroden wird am Anwendungszentrum für Plasma und Photonik des Fraunhofer IST ein neues Messsystem entwickelt.

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Kalt-Plasmaspritzen in der Anwendung

Am Anwendungszentrum für Plasma und Photonik des Fraunhofer IST wurde daher ein Verfahren entwickelt, mit dem herkömmliche Türgriffe aus Kunststoff oder Metall mit einer antibakteriellen Kupferschicht versehen werden können: das sogenannte Kalt-Plasmaspritzen.

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Gasfluss-gesputterte Siliziumschichten

Rasterelektronen-mikroskopische Aufnahmen von Silizium-Bruchkanten. Je nach Prozessparametern können Siliziumschichten mit unterschiedlich poröser oder dichter Mikrostruktur erzeugt werden. In der Abbildung nimmt die Substrat-Vorspannung von links nach rechts zu.
© Fraunhofer IST

Rasterelektronen-mikroskopische Aufnahmen von Silizium-Bruchkanten. Je nach Prozessparametern können Siliziumschichten mit unterschiedlich poröser oder dichter Mikrostruktur erzeugt werden. In der Abbildung nimmt die Substrat-Vorspannung von links nach rechts zu.

Auch durch eine Zugabe von Wasserstoff in den Gasfluss-Sputterprozess kann die Dichtheit der entstehenden Schichten beeinflusst werden. In der Abbildung nimmt die Wasserstoffzugabe von links nach rechts zu.
© Fraunhofer IST

Auch durch eine Zugabe von Wasserstoff in den Gasfluss-Sputterprozess kann die Dichtheit der entstehenden Schichten beeinflusst werden. In der Abbildung nimmt die Wasserstoffzugabe von links nach rechts zu.

Reines Silizium ist seit Jahrzehnten das Basiselement der Mikroelektronik und besitzt damit eine überragende technologische und wirtschaftliche Bedeutung. Im Rahmen aktueller Forschungsprojekte wird versucht, die Mikroelektronik um Systeme zu erweitern, die mit der Umwelt interagieren. Dies können zum Beispiel sensorische, aktorische, chemische oder elektrochemische Komponenten sein. Auch hierfür ist Silizium ein sehr attraktives Ausgangsmaterial, allerdings sind die traditionellen Abscheideverfahren für Halbleitersilizium wie die chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapour Deposition, CVD) nicht immer dafür geeignet. Im Rahmen eines Fraunhofer-internen Forschungsprogramms werden daher neuartige Silizium-Abscheideprozesse entwickelt und untersucht. Einer dieser Prozesse nutzt das am Fraunhofer IST entwickelte Hohlkathoden-Gasfluss-Sputtern (GFS).

Gasfluss-gesputterte Siliziumschichten

Das Gasfluss-Sputtern (GFS) ist ein Hochrate-Sputterverfahren, bei dem eine intensive Hohlkathoden-Glimmentladung für die Zerstäubung genutzt wird. Die abgestäubten Atome werden über einen gerichteten Gasstrom zum Bauteil transportiert. Innerhalb des genannten Forschungsprojekts wird hochdotiertes Silizium (n-Typ, Phosphor) in einer Plasmaentladung zerstäubt und bei moderaten Temperaturen auf ebenen Siliziumsubstraten abgeschieden. Als Vertreter der physikalischen Gasphasenabscheidung (Physical Vapour Deposition, PVD) verwendet das Gasfluss-Sputtern ungiftige Ausgangsstoffe und ermöglicht durch die Plasma-Unterstützung eine ausgezeichnete Schichtanbindung an das Substrat. Die Prozessparameter können bei der Abscheidung so gewählt werden, dass die Schichten entweder eine kolumnare, d. h. poröse oder eine kompakte, dichte Mikrostruktur aufweisen (vgl. Abbildung links oben). Neben der Struktur können auch die Eigenspannungen der entstehenden Schichten in gewissem Umfang kontrolliert werden. Typische Schichtdicken liegen hier im Bereich von 10 Mikrometern. Grundsätzlich können beim GFS aber auch Schichtdicken von 100 Mikrometern und darüber hinaus erreicht werden.

Silizium-PVD mit Wasserstoffzugabe

Plasma-unterstützte PVD-Prozesse basieren auf rein physikalischen Vorgängen und nutzen in der Regel Argon als Prozessgas. Dagegen werden in Prozessen der herkömmlicherweise für die Silizium-Abscheidung verwendeten chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) chemische Vorgänge für die Mobilisierung der Teilchen und die Schichtbildung genutzt. Oft spielt dabei Wasserstoff eine entscheidende Rolle. Die Abbildung links unten zeigt, dass Wasserstoff aber auch in PVD-Prozessen einen Einfluss auf die Schichteigenschaften haben kann. Dem Gasfluss-Sputterprozess wurden bei sonst gleichen Bedingungen unterschiedliche Mengen Wasserstoff zugegeben. Die Wasserstoffzugabe erhöht hier die Beweglichkeit der schichtbildenden Teilchen auf der Oberfläche und begünstigt damit eine kompakte Schichtstruktur.

Ausblick

Zukünftig könnten mit PVD-Verfahren hergestellte Siliziumschichten leicht im selben Prozess mit metallischen Elektrodenschichten kontaktiert oder mit Barriereschichten wie Siliziumoxid passiviert werden. Die variable Mikrostruktur macht GFS-Silizium auch attraktiv als Anodenmaterial für Lithium-Ionenbatterien oder für katalytisch aktive Oberflächen, z. B. für die Gassensorik.

Das Projekt

Das Projekt wurde im Rahmen der internen Programme der Fraunhofer-Gesellschaft gefördert.

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