Forschung

Dünne Filme

Dünne Filme in Materialkombinationen sind zumeist kristalline, also feste Schichten mit Dicken von wenigen Nanometern bis zu einigen Mikrometern, welche auf einem Trägermaterial (Substrat) aufgebracht sind. In der Technologie übernehmen dünne Filme mit ihren spezifischen Eigenschaften eine Vielzahl von Funktionen und sind in anspruchsvollen technologischen Produkten nicht durch andere Materialien ersetzbar. Die Filme fungieren als isolierende, dielektrische, magnetische oder elektronische Komponenten z.B. von intergrierten Antennen bzw. Sendern und Frequenz-Filtern im mobilen Telephon (Mobiltelefon) oder von Halbleiter-Bauteilen in integrierten Schaltkreisen der Mikroelektronik (Computer).

Die Qualität eines Films ist von entscheidender Bedeutung für seine Funktion. Man unterscheidet einfache Filme mit amorpher oder vielkristalliner Struktur und Filme höherer Qualität, in denen die einzelnen Kristalle z.B. in ihrer Ausdehnung die gesamte Filmdicke ausmachen und die zudem noch eine Vorzugsorientierung (Textur) besitzen oder gar epitaktische Filme, bei denen die gesamte Schicht aus einem einzigen dünnen Kristall besteht. Epitaktische Filme können nur auf einem einkristallinen Substrat hergestellt werden, welches durch seine Kristallstruktur als eine Art Vorlage (Templat) für das epitaktische Wachstum des Films dient. Epitaktische Filme wachsen um so perfekter, je besser die Kristallgitter von Film und Substrat an ihrer Grenzfläche in ihren Atomabständen und Winkeln passen. Für technologische Anwendungen werden dünne epitaktische Filme zumeist über die Gasphasenrouten hergestellt wie Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder chemische Dampfabscheidung (CVD). Aber auch mit Hilfe von Sputtermethoden oder durch Laserverdampfung (laser ablation) können epitaktische Filme hergestellt werden. Alle diese Methoden erfordern eine aufwendige Schutzgas- bzw. Vakuumtechnik, was lange Vorbereitungszeiten für die Beschichtung und hohe Kosten verursacht.

Als Alternative hierzu wird in unserer Arbeitsgruppe die einfache, schnelle und kostengünstige Methode der Abscheidung von Filmen aus Lösungen (chemical solution deposition, CSD) untersucht. Grob läßt sich das Verfahren wie folgt beschreiben: Lösungen, welche die molekularen Vorstufen des Filmmaterials enthalten, werden z.B. mittels "spin coating" auf ein Substrat geschleudert, so daß ein homogener Film der Lösung entsteht.

spin coating
Abb.1: spin coating

Durch Wärmebehandlung des abgeschiedenen Films werden die enthaltenen Vorstufen in das gewünschte Material des festen Films zersetzt. Der sich zunächst bildende Film, bestehend aus feinsten Kristallen, kann durch weiteres Erhitzen bei höheren Temperaturen zu einem einkristallinen Film zusammenwachsen.

Wachstumsmechanismus
Abb.2: Wachstumsmechanismus

Der Einfluß von Parametern der Herstellung auf den Wachstumsmechanismus und die spätere Filmqualität ist noch weitgehend ungeklärt. Es ist noch viel Forschungsarbeit zu leisten, um die Verbindungen mikroskopischer Aspekte (Grenzflächen, Struktur, Bindung) mit den makroskopischen Eigenschaften (Kristallinität, Textur) aufzuklären. Das Verständnis dieser Zusammenhänge ist für die Einstellung definierter und reproduzierbarer Prozesse essentiell.

Das CSD-Verfahren wird technisch bereits für die Herstellung piezoelektrischer Oxidfilme wie Blei- und Bleizirkontitanat (PZT) angewendet. Die Forschung in unserer Arbeitsgruppe konzentriert sich auf oxidische Materialien mit ungewöhnlichen optischen und elektro-optischen Eigenschaften wie zum Beispiel Zinkoxid, Spinelle (MgAl2O3, Co3O4), und Seltenerd-Hexaaluminate, deren Wachstum auf unterschiedlichen Substraten studiert wird. Außerdem werden alternative chemische Verfahren zur Filmherstellung untersucht und erprobt.

LHA auf Saphir
Abb.3: LHA auf Saphir


Hexaaluminat

Grenzfläche zwischen Saphir (unten) und Lanthanhexaaluminat (oben).
Rekonstruiertes, hoch aufgelöstes Phasenkontrastbild der Grenzfläche zwischen Saphir-Substrat und Lanthanhexaaluminat-Film welcher aus der Lösung abgeschieden wurde (links). Das Strukturmodell der Grenzfläche und das rechnersimulierte Phasenkontrastbild sind eingelegt. Aufgrund zu kleiner Abstände zwischen La- und Al-Ionen an der Grenzfläche werden die La-Plätze nicht besetzt (Pfeile im Bild). Dies ist im Intensitätsprofil der La-Ionen an der Grenzfläche besonders gut zu erkennen (rechts unten, rot), und es unterscheidet sich deutlich vom entsprechenden Profil in Lanthanhexaaluminat (rechts oben, blau).