We investigate the time evolution of ZnO thin film growth in oxygen plasma-enhanced atomic layer deposition using in situ spectroscopic ellipsometry. The recently proposed dynamic-dual-box-model approach [Kilic et al., Sci. Rep. 10, 10392 (2020)] is used to analyze the spectroscopic data post-growth. With the help of this model, we explore the in-cycle surface modifications and reveal the repetitive layer-by-layer growth and surface roughness modification mechanisms during the ZnO ultrathin film deposition. The in situ complex-valued dielectric function of the amorphous ZnO thin film is also determined from the model analysis for photon energies of 1.7–4 eV. The dielectric function is analyzed using a critical point model approach providing parameters for bandgap energy, amplitude, and broadening in addition to the index of refraction and extinction coefficient. The dynamic-dual-box-model analysis reveals the initial nucleation phase where the surface roughness changes due to nucleation and island growth prior to film coalescence, which then lead to the surface conformal layer-by-layer growth with constant surface roughness. The thickness evolution is resolved with Angstrom-scale resolution vs time. We propose this method for fast development of growth recipes from real-time in situ data analysis. We also present and discuss results from x-ray diffraction, x-ray photoelectron spectroscopy, and atomic force microscopy to examine crystallographic, chemical, and morphological characteristics of the ZnO film.

1.
A.
Magdy
,
A.
El-Shaer
,
A.
El-Farrash
, and
E.
Salim
,
Sci. Rep.
12
,
21489
(
2022
).
2.
F.
Schuster
,
B.
Laumer
,
R. R.
Zamani
,
C.
Magen
,
J. R.
Morante
,
J.
Arbiol
, and
M.
Stutzmann
,
ACS Nano
8
,
4376
(
2014
).
3.
A.
Calzolari
,
A.
Ruini
, and
A.
Catellani
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
5893
(
2011
).
4.
A.
Anand
and
M.
Bhatnagar
,
Mater. Today Energy
13
,
293
(
2019
).
5.
K.
Žídek
,
M.
Abdellah
,
K.
Zheng
, and
T.
Pullerits
,
Sci. Rep.
4
,
7244
(
2014
).
6.
A.
Alexandrov
,
M.
Zvaigzne
,
D.
Lypenko
,
I.
Nabiev
, and
P.
Samokhvalov
,
Sci. Rep.
10
,
7496
(
2020
).
7.
Y. A.
Selim
,
M. A.
Azb
,
I.
Ragab
, and
M. H. M.
Abd El-Azim
,
Sci. Rep.
10
,
3445
(
2020
).
8.
A.
Mocanu
,
G.
Isopencu
,
C.
Busuioc
,
O.-M.
Popa
,
P.
Dietrich
, and
L.
Socaciu-Siebert
,
Sci. Rep.
9
,
1
(
2019
).
9.
U.
Singh
,
Z.
Saifi
,
M.
Kumar
,
A.
Reimers
,
S. D.
Krishnananda
,
R.
Adelung
, and
M.
Baum
,
Sci. Rep.
11
,
15945
(
2021
).
10.
H.
Asadzadeh Patehkhor
,
M.
Fattahi
, and
M.
Khosravi-Nikou
,
Sci. Rep.
11
,
1
(
2021
).
11.
R.
Schmidt-Grund
,
B.
Rheinländer
,
E. M.
Kaidashev
,
M.
Lorenz
,
M.
Grundmann
,
D.
Fritsch
,
M. M.
Schubert
,
H.
Schmidt
, and
C. M.
Herzinger
,
J. Korean Phys. Soc.
53
,
88
(
2008
).
12.
C.
Bundesmann
,
R.
Schmidt-Grund
, and
M.
Schubert
, in Transparent Conductive Zinc Oxide: Basics and Applications in Thin Film Solar Cells (Springer, New York, 2008), pp. 79–124.
13.
A.
Costas
,
C.
Florica
,
N.
Preda
,
C.
Besleaga
,
A.
Kuncser
, and
I.
Enculescu
,
Sci. Rep.
12
,
6834
(
2022
).
14.
X.
Wang
,
K.
Xu
,
X.
Yan
,
X.
Xiao
,
C.
Aruta
,
V.
Foglietti
,
Z.
Ning
, and
N.
Yang
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
12
,
8403
(
2020
).
15.
N.
Abdullayeva
et al.,
ACS Appl. Nano Mater.
3
,
5881
(
2020
).
16.
S.
MohammadNejad
,
P.
Nosratkhah
, and
H.
Arab
,
Quantum Inf. Process.
22
,
360
(
2023
).
17.
X.
Wu
,
J.
Lee
,
V.
Varshney
,
J. L.
Wohlwend
,
A. K.
Roy
, and
T.
Luo
,
Sci. Rep.
6
,
1
(
2016
).
18.
J.
Shin
,
J.
Jeon
, and
D.
Bae
,
Mater. Lett.
151
,
96
(
2015
).
19.
H. M.
Mousa
,
A.
Abdal-Hay
,
M.
Bartnikowski
,
I. M.
Mohamed
,
A. S.
Yasin
,
S.
Ivanovski
,
C. H.
Park
, and
C. S.
Kim
,
ACS Biomater. Sci. Eng.
4
,
2169
(
2018
).
20.
B.
Krause
,
D.
Mishra
,
J.
Chen
,
C.
Argyropoulos
, and
T.
Hoang
,
Adv. Opt. Mater.
10
,
2200510
(
2022
).
21.
K.
Waszkowska
,
O.
Krupka
,
O.
Kharchenko
,
V.
Figà
,
V.
Smokal
,
N.
Kutsevol
, and
B.
Sahraoui
,
Appl. Nanosci.
10
,
4977
(
2020
).
22.
M.
Jiang
,
W.
Mao
,
X.
Zhou
,
C.
Kan
, and
D.
Shi
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
11
,
11800
(
2019
).
23.
M.
Zakria
,
T. T.
Huynh
,
F. C.
Ling
,
S. C.
Su
,
M. R.
Phillips
, and
C.
Ton-That
,
ACS Appl. Nano Mater.
2
,
2574
(
2019
).
24.
J. E.
Eixenberger
et al.,
ACS Appl. Mater. Interfaces
11
,
24933
(
2019
).
25.
Y.
Tu
,
C.
Kyle
,
H.
Luo
,
D.-W.
Zhang
,
A.
Das
,
J.
Briscoe
,
S.
Dunn
,
M.-M.
Titirici
, and
S.
Krause
,
ACS Sens.
5
,
3568
(
2020
).
26.
A.
Abun
,
B.-R.
Huang
,
A.
Saravanan
,
D.
Kathiravan
, and
P.-D.
Hong
,
ACS Appl. Nano Mater.
3
,
12139
(
2020
).
27.
A.
Soultati
et al.,
ACS Appl. Mater. Interfaces
12
,
21961
(
2020
).
28.
Y.-Q.
Cao
,
S.-S.
Wang
,
C.
Liu
,
D.
Wu
, and
A.-D.
Li
,
Sci. Rep.
9
,
11526
(
2019
).
31.
Y.
Gao
,
I.
Gereige
,
A.
El Labban
,
D.
Cha
,
T. T.
Isimjan
, and
P. M.
Beaujuge
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
6
,
2219
(
2014
).
32.
F.
Otieno
,
M.
Airo
,
R. M.
Erasmus
,
A.
Quandt
,
D. G.
Billing
, and
D.
Wamwangi
,
Sci. Rep.
10
,
8557
(
2020
).
33.
P.
Karnati
,
A.
Haque
,
M.
Taufique
, and
K.
Ghosh
,
Nanomaterials
8
,
62
(
2018
).
34.
S.
Heitsch
et al.,
Thin Solid Films
496
,
234
(
2006
).
35.
L.
Skowronski
,
A.
Ciesielski
,
A.
Olszewska
,
R.
Szczesny
,
M.
Naparty
,
M.
Trzcinski
, and
A.
Bukaluk
,
Materials
13
,
3510
(
2020
).
36.
Y.
Darma
,
S.
Muhammady
,
Y. N.
Hendri
,
E.
Sustini
,
R.
Widita
, and
K.
Takase
,
Mater. Sci. Semicond. Process.
93
,
50
(
2019
).
37.
H.
Fayaz Rouhi
and
S.
Rozati
,
Appl. Phys. A
128
,
252
(
2022
).
38.
A.
Ismail
,
A.
Menazea
,
H. A.
Kabary
,
A.
El-Sherbiny
, and
A.
Samy
,
J. Mol. Struct.
1196
,
332
(
2019
).
39.
A.
Alberti
,
S.
Molinaro
,
F.
La Via
,
C.
Bongiorno
,
G.
Ceriola
, and
S.
Ravesi
,
Microelectron. Eng.
60
,
81
(
2002
).
40.
B.-S.
Kim
,
L.
Gil-Escrig
,
M.
Sessolo
, and
H. J.
Bolink
,
J. Phys. Chem. Lett.
11
,
6852
(
2020
).
41.
G. N.
West
,
W.
Loh
,
D.
Kharas
,
C.
Sorace-Agaskar
,
K. K.
Mehta
,
J.
Sage
,
J.
Chiaverini
, and
R. J.
Ram
,
APL Photonics
4
,
026101
(
2019
).
42.
M.
Motola
et al.,
ACS Appl. Bio Mater.
3
,
6447
(
2020
).
43.
P.
Listewnik
,
M.
Hirsch
,
P.
Struk
,
M.
Weber
,
M.
Bechelany
, and
M.
Jędrzejewska-Szczerska
,
Nanomaterials
9
,
306
(
2019
).
44.
D.
Schmidt
,
E.
Schubert
, and
M.
Schubert
,
Mater. Res. Soc. Symp. Proc.
1409
,
mrsf11
(
2012
).
45.
D.
Schmidt
,
E.
Schubert
, and
M.
Schubert
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
011912
(
2012
).
46.
T.
Tynell
and
M.
Karppinen
,
Semicond. Sci. Technol.
29
,
043001
(
2014
).
47.
M.
Rahamim
,
H.
Cohen
, and
E.
Edri
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
13
,
49423
(
2021
).
48.
J.
Castillo-Saenz
,
N.
Nedev
,
B.
Valdez-Salas
,
M.
Martinez-Puente
,
F.
Aguirre-Tostado
,
M.
Mendivil-Palma
,
D.
Mateos
,
M.
Curiel-Alvarez
,
O.
Perez-Landeros
, and
E.
Martinez-Guerra
,
J. Mater. Sci.: Mater. Electron.
32
,
20274
(
2021
).
49.
B. A.
Rorem
,
T. H.
Cho
,
N.
Farjam
,
J. D.
Lenef
,
K.
Barton
,
N. P.
Dasgupta
, and
L. J.
Guo
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
14
,
31099
(
2022
).
50.
R. W.
Johnson
,
A.
Hultqvist
, and
S. F.
Bent
,
Mater. Today
17
,
236
(
2014
).
51.
H.
Profijt
,
S.
Potts
,
M.
Van de Sanden
, and
W.
Kessels
,
J. Vac. Sci. Technol. A
29
,
050801
(
2011
).
52.
K.-M.
Kim
,
J. S.
Jang
,
S.-G.
Yoon
,
J.-Y.
Yun
, and
N.-K.
Chung
,
Materials
13
,
2008
(
2020
).
53.
C.
Wang
,
C.-H.
Bao
,
W.-Y.
Wu
,
C.-H.
Hsu
,
M.-J.
Zhao
,
X.-Y.
Zhang
,
S.-Y.
Lien
, and
W.-Z.
Zhu
,
J. Mater. Sci.
57
,
12341
(
2022
).
54.
Y.
Kim
,
J.-G.
Song
,
Y. J.
Park
,
G. H.
Ryu
,
S. J.
Lee
,
J. S.
Kim
,
P. J.
Jeon
,
C. W.
Lee
,
W. J.
Woo
,
T.
Choi
, et al.,
Sci. Rep.
6
,
18754
(
2016
).
55.
H.
Fujiwara
,
Spectroscopic Ellipsometry: Principles and Applications
(
Wiley
,
New York
,
2007
).
56.
C.
Sturm
,
T.
Chavdarov
,
R.
Schmidt-Grund
,
B.
Rheinländer
,
C.
Bundesmann
,
H.
Hochmuth
,
M.
Lorenz
,
M.
Schubert
, and
M.
Grundmann
,
Phys. Status Solidi
5
,
1350
(
2008
).
57.
M.
Hilfiker
et al.,
Appl. Phys. Lett.
120
,
132105
(
2022
).
58.
E. V.
Skopin
,
J.-L.
Deschanvres
, and
H.
Renevier
,
Phys. Status Solidi A
217
,
1900831
(
2020
).
59.
B.
Macco
et al.,
Sol. Energy Mater. Sol. Cells
245
,
111869
(
2022
).
60.
A.
Mameli
,
B.
Karasulu
,
M. A.
Verheijen
,
B.
Barcones
,
B.
Macco
,
A. J.
Mackus
,
W. M. E.
Kessels
, and
F.
Roozeboom
,
Chem. Mater.
31
,
1250
(
2019
).
61.
L.
Demelius
,
M.
Blatnik
,
K.
Unger
,
P.
Parlanti
,
M.
Gemmi
, and
A. M.
Coclite
,
Appl. Surf. Sci.
604
,
154619
(
2022
).
62.
H.
Knoops
,
B. W.
van de Loo
,
S.
Smit
,
M. V.
Ponomarev
,
J.-W.
Weber
,
K.
Sharma
,
W. M.
Kessels
, and
M.
Creatore
,
J. Vac. Sci. Technol. A
33
,
021509
(
2015
).
63.
J.
Elam
,
Z.
Sechrist
, and
S.
George
,
Thin Solid Films
414
,
43
(
2002
).
64.
J.
Iqbal
,
A.
Jilani
,
P. Z.
Hassan
,
S.
Rafique
,
R.
Jafer
, and
A. A.
Alghamdi
,
J. King Saud Univ. Sci.
28
,
347
(
2016
).
65.
M.-J.
Zhao
et al.,
Nanomaterials
10
,
459
(
2020
).
66.
C.
Bohórquez
,
H.
Bakkali
,
J. J.
Delgado
,
E.
Blanco
,
M.
Herrera
, and
M.
Domínguez
,
ACS Appl. Electron. Mater.
4
,
925
(
2022
).
68.
U.
Kumar
,
C.
Feit
,
S. N.
Berriel
,
A.
Arunachalam
,
T. S.
Sakthivel
,
K.
Basu
,
P.
Banerjee
, and
S.
Seal
,
J. Vac. Sci. Technol. A
39
,
060405
(
2021
).
69.
M.
Labbe
,
K.
Cadien
, and
D. G.
Ivey
,
J. Phys. Chem. C
126
,
19883
(
2022
).
70.
M. J.
Muller
,
K.
Komander
,
C.
Hohn
,
R.
van de Krol
, and
A. C.
Bronneberg
,
ACS Appl. Nano Mater.
2
,
6277
(
2019
).
71.
S.
Kim
,
S.-H.
Lee
,
I. H.
Jo
,
J.
Seo
,
Y.-E.
Yoo
, and
J. H.
Kim
,
Sci. Rep.
12
,
5124
(
2022
).
72.
K.
Rodenhausen
and
M.
Schubert
,
Thin Solid Films
519
,
2772
(
2011
).
73.
C.
Herzinger
,
B.
Johs
,
W.
McGahan
,
J. A.
Woollam
, and
W.
Paulson
,
J. Appl. Phys.
83
,
3323
(
1998
).
74.
M.
Hilfiker
and
N.
James
, J. A. Woollam Inc., Lincoln, Nebraska 68508, private communication (
2024
).
75.
S.
Richter
et al.,
New J. Phys.
22
,
083066
(
2020
).
76.
O.
Herrfurth
,
T.
Pflug
,
M.
Olbrich
,
M.
Grundmann
,
A.
Horn
, and
R.
Schmidt-Grund
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
212103
(
2019
).
77.
E.
Agocs
,
B.
Fodor
,
B.
Pollakowski
,
B.
Beckhoff
,
A.
Nutsch
,
M.
Jank
, and
P.
Petrik
,
Thin Solid Films
571
,
684
(
2014
).
78.
H. Y. H.
Yoshikawa
and
S. A. S.
Adachi
,
Jpn. J. Appl. Phys.
36
,
6237
(
1997
).
79.
X.
Li
,
T.
Chen
,
P.
Liu
,
Y.
Liu
,
Z.
Liu
, and
K.
Leong
,
J. Appl. Phys.
115
,
103512
(
2014
).
80.
U.
Kılıç
,
D.
Sekora
,
A.
Mock
,
R.
Korlacki
,
S.
Valloppilly
,
E. M.
Echeverría
,
N.
Ianno
,
E.
Schubert
, and
M.
Schubert
,
J. Appl. Phys.
124
,
115302
(
2018
).
81.
J. N.
Hilfiker
,
N.
Singh
,
T.
Tiwald
,
D.
Convey
,
S. M.
Smith
,
J. H.
Baker
, and
H. G.
Tompkins
,
Thin Solid Films
516
,
7979
(
2008
).
82.
C.
Herzinger
,
P. G.
Snyder
,
F.
Celii
,
Y.-C.
Kao
,
D.
Chow
,
B.
Johs
, and
J. A.
Woollam
,
J. Appl. Phys.
79
,
2663
(
1996
).
83.
J.
Mohrmann
,
T. E.
Tiwald
,
J. S.
Hale
,
J. N.
Hilfiker
, and
A. C.
Martin
,
J. Vac. Sci. Technol. B
38
,
014001
(
2020
).
84.
J. N.
Hilfiker
and
T.
Tiwald
, Spectroscopic Ellipsometry for Photovoltaics: Volume 1: Fundamental Principles and Solar Cell Characterization (Springer, Cham, 2018), p. 115.
86.
A.
Mock
,
R.
Korlacki
,
C.
Briley
,
D.
Sekora
,
T.
Hofmann
,
P.
Wilson
,
A.
Sinitskii
,
E.
Schubert
, and
M.
Schubert
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
051905
(
2016
).
87.
N.
Kamarulzaman
,
M. F.
Kasim
, and
R.
Rusdi
,
Nanoscale Res. Lett.
10
,
1
(
2015
).
88.
C. S.
Granerød
,
A.
Galeckas
,
K. M.
Johansen
,
L.
Vines
, and
Ø.
Prytz
,
J. Appl. Phys.
123
,
145111
(
2018
).
89.
R.
Kurniawan
,
I. M.
Sutjahja
,
T.
Winata
,
T. S.
Herng
,
J.
Ding
,
A.
Rusydi
, and
Y.
Darma
,
Opt. Mater. Express
7
,
3902
(
2017
).
90.
R.
Nedzinskas
,
A.
Suchodolskis
,
L.
Trinkler
,
G.
Krieke
,
W.-T.
Yao
,
C.-C.
Chang
,
L.
Chang
, and
M. M.-C.
Chou
,
Opt. Mater.
138
,
113650
(
2023
).
91.
S. D.
Ponja
,
S.
Sathasivam
,
I. P.
Parkin
, and
C. J.
Carmalt
,
Sci. Rep.
10
,
638
(
2020
).
92.
93.
J. S.
Goo
,
J.-H.
Lee
,
S.-C.
Shin
,
J.-S.
Park
, and
J. W.
Shim
,
J. Mater. Chem. A.
6
,
23464
(
2018
).
94.
T.
Park
,
J.
Lee
,
J.
Park
,
H.
Jeon
,
H.
Jeon
,
K.-H.
Lee
,
B.-C.
Cho
,
M.-S.
Kim
, and
H.-B.
Ahn
,
J. Vac. Sci. Technol. A
30
,
041301
(
2012
).
95.
S.-S.
Yim
,
D.-J.
Lee
,
K.-S.
Kim
,
S.-H.
Kim
,
T.-S.
Yoon
, and
K.-B.
Kim
,
J. Appl. Phys.
103
,
113509
(
2008
).
96.
F. A.
Stevie
and
C. L.
Donley
,
J. Vac. Sci. Technol. A
38
,
063204
(
2020
).
97.
M.
Losurdo
et al.,
J. Nanoparticle Res.
11
,
1521
(
2009
).
You do not currently have access to this content.