Low-Temperature Batch Atomic Layer Deposition of ZnO on Organic Substrate Using Ozone as the Oxidant

Abstract

The purpose of this bachelor’s thesis project was to study the efficacy of low-temperature atomic layer deposition (ALD) in a batch process for an organic substrate using ozone as the oxidant. ALD was used to coat the substrate in a protective thin film barrier layer. As the batch process for the coating of the specific substrate had never been done before, the development and design of novel experiment setup played a key role in the project. The project was commissioned by VTT Technical Research Centre of Finland Ltd.

The substrate used was crop seeds (grains) and the precursors used were diethylzinc and ozone. The thin film deposited was zinc oxide (ZnO). Each deposition run had a grain bed and pieces of silicon wafer in the reactor. Two systems were developed for the wafers: custom jigs with small pieces and long, individual pieces without jigs. The wafers were used for ellipsometry characterisation of the thin film thickness after each deposition run. Wavelength dispersive X-ray fluorescence (WDXRF) was used for characterising the chemical composition of the samples taken from the grain bed. WDXRF samples were initially taken mostly from the top layer of the bed until the development of a more advanced collection method. In addition to these characterisation methods, scanning electron microscopy combined with energy-dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS) was also used. The effect of the deposition temperature (25 vs. 50 °C) was the key operational parameter studied in the experiments.

On the basis of the measurement results acquired, utilising the deposition temperature of 50 °C resulted in thicker thin film layers and a greater quantity of ZnO on the grains. However, according to the WDXRF results, a more uniform distribution of ZnO across the grain bed was achieved at 25 °C. The deposition processes could be considered successful at both temperatures. The data acquired and the methods developed during the project will be useful in the future scale-up projects on the path towards commercial scale applications.

Insinöörityön projektin tavoitteena oli tutkia matalissa lämpötiloissa tehdyn atomikerroskasvatuksen (ALD) toimivuutta panosprosessissa, jossa pinnoitetaan orgaanista substraattia käyttäen otsonia hapettimena. ALD:n tarkoituksena oli pinnoittaa substraatti sitä suojaavalla ohutkalvokerroksella. Koska projektissa käytettyä orgaanista substraattia ei ole aikaisemmin ALD-pinnoitettu panosprosessilla, uudenlaisten koejärjestelyjen kehittäminen ja suunnittelu oli merkittävässä osassa projektin aikana. Insinöörityö tehtiin Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy:n toimeksiantona.

Substraattina käytettiin jyviä, lähtöaineina dietyylisinkkiä ja otsonia, ja muodostuva ohutkalvo oli sinkkioksidia (ZnO). Jokaisessa pinnoitusajossa reaktorissa oli jyväpeti ja piikiekosta leikattuja paloja näytteenottoa varten. Kaksi menetelmää kehitettiin piipalojen petiin sijoittelua varten: pienet palat kehikkopidikkeiden kanssa tai yksittäiset pitkät palat ilman pidikkeitä. Piipaloja käytettiin ohutkalvon paksuuden karakterisoimiseen ellipsometrillä jokaisen pinnoitusajon jälkeen. Aallonpituutta hajottavaa röntgenfluoresenssia (WDXRF) käytettiin jyväpetinäytteiden kemiallisen koostumuksen määrittämiseen. Alun perin WDXRF-näytteitä kerättiin enimmäkseen vain jyväpedin päälliskerroksesta, mutta projektin edetessä kattavampi keräysmenetelmä kehitettiin. Näiden karakterisointitapojen lisäksi pyyhkäisyelektronimikroskoopin ja energiadispersiivisen röntgenspektrometrin (SEM-EDS) yhdistelmälaitetta käytettiin tiettyjen näytteiden kuvantamiseen. Pinnoituslämpötilan (25 tai 50 °C) vaikutus prosessiin oli tärkein tutkittu käyttöparametri.

Mittaustulosten perusteella 50 °C:ssa tehdyt pinnoitukset johtivat keskimäärin paksumpiin ohutkalvokerroksiin ja pinnoitettujen jyvien suurempaan ZnO-pitoisuuteen. WDXRF-tulosten perusteella koko pedin ZnO-pitoisuus oli kuitenkin yhtenäisempää 25 °C:ssa tehdyillä pinnoituksilla. Pinnoitusprosessi voidaan luokitella onnistuneeksi molemmissa lämpötiloissa. Projektin aikana kerättyä dataa ja kehitettyjä menetelmiä voidaan tulevaisuudessa hyödyntää menetelmän skaalattavuuden ja kaupallisen mittakaavan käyttökohteiden saavuttamisessa.