Grundlagenuntersuchungen zum Wachstum ultradünner Metallfilme mittels plasmaunterstützter, räumlich sequenzieller Atomlagenabscheidung bei Atmosphärendruck

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Anjana Devi; Professor Dr. Thomas Riedl
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 417279094

Ultradünne Metallschichten bieten eine einzigartige Kombination an elektrischen, optischen und plasmonischen Eigenschaften, die zahlreiche Anwendungen wie z.B. semitransparente Elektroden für optoelektronische Dünnschichtbauelemente ermöglichen. Nachteilig ist, dass dünne Metallschichten auf vielen Substraten zu Inselwachstum neigen. Unterhalb der Perkolationsschwelle (PS) ist die elektrische Leitfähigkeit daher sehr gering, und sie steigt mit dem Erreichen der PS um mehrere Größenordnungen an. Typische PS für aufgedampfte oder gesputterte Metallschichten wie Ag oder Au liegen bei Schichtdicken im Bereich von 10-15 nm. Um das Benetzungsverhalten von Metallschichten zu verbessern sind verschiedene Ansätze wie die Oberflächenfunktionalisierung, die Verwendung von Metalllegierungen oder der Einbau von Sauerstoff während der Deposition untersucht worden.Ultradünne Metallschichten werden überwiegend mittels Sputtern oder durch Aufdampfen hergestellt. Die Atomlagenabscheidung (ALD) von Metallen wie Ag oder Cu befindet sich hingegen noch in den Kinderschuhen. Grundsätzlich ermöglicht die ALD eine Schichtdickenkontrolle bis hinunter zu einer einzelnen atomaren Lage, ein homogenes Wachstum über große Flächen und ein konformes Wachstum auf Strukturen mit hohem Aspektverhältnis. Die ALD ist heute ein etabliertes Verfahren zur Abscheidung von Metalloxiden. Plasmaunterstützte ALD ermöglicht geringere Prozesstemperaturen und den Zugang zu nichtoxydischen Materialien wie z.B. Nitriden und Metallen. Die Nachteile konventioneller vakuumbasierter ALD können mittels der räumlich sequenziellen ALD (auch spatial ALD) bei Atmosphärendruck überwunden werden – sogar Rolle-zu-Rolle-Abscheidung steht somit in Aussicht.Das zentrale Ziel dieses Projektes ist die Erforschung der plasmaunterstützten räumlich sequenziellen ALD (APP-ALD) ultradünner Metallschichten bei Atmosphärendruck mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und gleichzeitig hoher optischer Transparenz. Es werden Prozesstemperaturen unterhalb von 120 °C angestrebt. Dazu sind folgende Arbeiten notwendig:• Entwicklung neuer thermisch stabiler Ag- und Cu-Präkursoren mit hohem Dampfdruck und hoher Reaktivität gegenüber reduzierenden Plasmen bei niedrigen Temperaturen• Die Untersuchung der frühen Phasen der Nukleation und Schichtbildung in Abhängigkeit des jeweiligen Präkursors und der typischen Prozessparameter (Temperatur, Flüsse, etc.)• Die Identifikation der Grenzen hinsichtlich optischer Transmission und elektrischer Leitfähigkeit mittels APP-ALD abgeschiedener Metallschichten• Die Evaluierung einer dedizierten Oberflächenfunktionalisierung, z.B. mit organischen Gruppen oder nicht-oxydischen anorganischen Filmen• Studium der Moleküllagenabscheidung bei Atmosphärendruck, um Spuren spezifischer organischer Moleküle in die mittels APP-ALD wachsenden Schichten einzubringen. Dadurch soll das Inselwachstum unterdrückt und gleichzeitig eine möglichst hohe elektrische Leitfähigkeit erreicht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen