Cienka warstwa
Cienkowarstwowa (w języku angielskim : cienkowarstwowa ) to powłoka , której grubość może wynosić od kilku warstw atomowych do około dziesięciu mikrometrów. Powłoki te modyfikują właściwości podłoża, na którym są osadzane. Stosowane są głównie:
- do produkcji elementów elektronicznych, takich jak ogniwa fotowoltaiczne, ze względu na ich właściwości izolacyjne lub przewodzące;
- do ochrony obiektów w celu poprawy właściwości mechanicznych, odporności na ścieranie, korozję lub służąc jako bariera termiczna. Jest to na przykład chromowanie ;
- modyfikować właściwości optyczne obiektów. W szczególności przytoczmy powłoki dekoracyjne (przykład złocenia) lub modyfikujące siłę odblaskową powierzchni (szkła antyrefleksyjne lub lustra ).
Ponieważ cienkie warstwy są nano-obiektami w jednym kierunku przestrzeni, właściwości fizyczne i chemiczne cienkich warstw mogą różnić się od właściwości obiektów makroskopowych we wszystkich wymiarach. Na przykład materiał izolacyjny o wymiarach makroskopowych może stać się przewodnikiem elektrycznym w postaci cienkiej warstwy z powodu efektu tunelowania .
W przeszłości pierwsze cienkie warstwy były wytwarzane metodą mokrą w wyniku reakcji chemicznej prowadzącej do wytrącania się prekursorów w roztworze na podłożu. W tym przypadku, można wymienić z utworzeniem przeźroczystą przez redukcję z Ag + jonów (na przykład roztworem azotanu srebra AgNC 3 ) za pomocą cukru .
Wzrost
Wytwarzanie cienkich warstw odbywa się poprzez osadzanie na podłożu lub na wcześniej naniesionej cienkiej warstwie. Zastosowane metody mają na celu kontrolę stechiometrii , grubości i struktury atomowej tworzonych warstw. Dzielą się one na dwie ogólne podkategorie: chemiczne lub fizyczne .
Złoże chemiczne
Wiele procesów należących do tej kategorii jest zdominowanych przez reakcje chemiczne prowadzące do wzrostu cienkiej warstwy.
Istnieje kilka wariantów złóż chemicznych:
-
chemiczna faza gazowa (CVD). Chemiczne osadzanie z fazy gazowej polega na uczynieniu związku lotnym, który następnie zostanie utrwalony w wyniku reakcji chemicznej (kondensacji) na podłożu. Aby aktywować tę reakcję, potrzebujesz zapasu energii. Dlatego istnieje kilka typów CVD, w których energia jest dostarczana na różne sposoby:
- termiczne CVD dostarcza niezbędnej energii w postaci kalorycznej poprzez ogrzewanie, albo przez efekt Joule'a (przepływ prądu w tyglu), ogrzewanie przez przyłożenie pola o wysokiej częstotliwości lub przez promieniowanie cieplne;
- laserowe CVD dostarcza niezbędnej energii poprzez lokalne napromieniowanie podłoża lub fazy gazowej, aby wywołać wzbudzenie cząsteczek, zwiększając w ten sposób ich reaktywność;
- MOCVD ( metaloorganiczny ). To CVD zachodzi dzięki prekursorom metaloorganicznym, które mają charakterystyczne wiązania w swojej strukturze. Ich niestabilność termiczna prowadzi do rozkładu osadzanego materiału. Ich reakcja w niskiej temperaturze sprawia, że technika jest tańsza. Jednak technika ta nie jest zbyt precyzyjna, ponieważ na powierzchni obecne są zanieczyszczenia, a toksyczność prekursorów utrudnia jej wdrożenie;
- ALD (osadzanie warstw atomowych). W większości technik CVD prekursory gazowe są dostarczane w sposób ciągły. Jeśli chodzi o technikę ALD, gazy są dodawane jeden po drugim. Po każdym wstrzyknięciu gazu komora jest czyszczona, aby usunąć wszystkie nieprzereagowane cząsteczki gazu powstałe w poprzedniej reakcji;
- technika ILGAR jest niedrogą techniką, która jest podobna do wcześniejszej techniki ALD. Technika ta pozwala na osadzanie warstw chalkogenku i siarczku pod ciśnieniem atmosferycznym. Technika ta jest przedstawiona jako ALD, kolejne warstwy będą osadzane, co pozwoli na dobrą kontrolę grubości. Dlatego zasadę tę można podsumować w trzech etapach. Pierwsza, w której roztwór prekursora jest nakładany na podłoże. Drugi to suszenie w obojętnym gazie w celu usunięcia resztek cząsteczek rozpuszczalnika. Wreszcie, siarkowanie stałego prekursora odbywa się za pomocą gazowego siarkowodoru;
- istnieje również technika pirolizy przez rozpylanie. Odbywa się to w czterech etapach. Pierwsza polega na rozpyleniu roztworu prekursora. Drugi odpowiada transportowi kropelek aerozolu na podłoże. Następnie odparowanie rozpuszczalnika, następnie rozprowadzenie soli prekursorowej na podłożu. Wreszcie suszenie i rozkład soli prekursorowej w celu zainicjowania wzrostu cienkiej warstwy przez pirolizę;
-
substancja chemiczna w fazie gazowej wspomagana plazmą (PECVD);
-
Metoda Langmuira-Blodgetta ;
- w procesie zol-żel, który jest rzadko stosowany ze względu na niską wydajność;
- powłoka wirowania (w języku angielskim powlekanie wirowe ) pokazuje zasadę powlekania zanurzeniowego. Różnica polega na zanurzeniu pomieszczenia. Rzeczywiście, tutaj osad jest bardziej kontrolowany, ponieważ ciecz osadza się na części, a następnie uruchamia się wirówka. Ciecz zostanie następnie rozprowadzona po całej powierzchni. Warstwa może wtedy osiągnąć znacznie cieńszą grubość;
- zanurzanie , gdy obrabiany przedmiot jest zanurzony w zbiorniku. Grubość osadu jest wtedy funkcją czasu zanurzenia, lepkości cieczy, gęstości płynu, ale także napięcia powierzchniowego;
-
elektroosadzanie (angielski elektroosadzanie ). Galwanizacja odbywa się tylko na częściach metalowych. Anodę (na przykład miedź) umieszcza się w tak zwanym roztworze elektrolitycznym (musi umożliwiać przenoszenie elektronów). To rozwiązanie zawiera również jony, które mają być osadzone na metalowej części. Następnie do miedzianej anody i katody (pomieszczenia, w którym ma się osadzać) doprowadzany jest prąd elektryczny. Podczas przykładania prądu utleniacz traci elektron (utlenianie), a środek redukujący zyskuje elektron (redukcja);
- epitaksji ma rosnąć krystalicznej zorientowany sposób. Istnieją trzy główne rodzaje epitaksji:
- Epitaksja w fazie parowej powoduje reakcję dwóch rodzajów gazów poprzez ogrzewanie tygli za pomocą efektu Joule'a. Grubość jest więc kontrolowana przez zmianę prądu w tych tyglach. Technika ta jest szeroko stosowana w przemyśle ze względu na bardzo niską temperaturę Si w przypadku osadzania GaAs,
- Epitaksja z wiązki molekularnej jest przeprowadzana w ultra-próżni w niskiej temperaturze, około 850 K dla GaAs. Te warstwy są tutaj bardzo cienkie, rzędu od dziesięciu do pięćdziesięciu angstremów. Ten bardzo precyzyjny proces jest również bardzo drogi i nie ma bardzo wysokiej kinetyki osadzania.
- Epitaksja w fazie ciekłej polega na zanurzeniu podłoża w cieczy. Ciecz ta będzie następnie reagować na powierzchni podłoża, tworząc w ten sposób cienką warstwę. Ta technika, choć szybka i niedroga, jest bardzo przybliżona i nie pozwala na dobrą kontrolę grubości.
Depozyty fizyczne
- Odparowanie próżniowe wykonuje się w taki sam sposób jak woda ogrzewa się w skrapla nasady na pokrywie. W rzeczywistości osad w postaci płynnej jest podgrzewany do temperatury parowania. Materiał, który ma być osadzony, przechodzi następnie do fazy gazowej i unosi się w autoklawie w kierunku płyty, na której ma być wykonany osad. Następnie para skrapla się na materiale, tworząc cienką warstwę. Technika ta zakłada, że napoinę należy wykonać na kawałku o prostym kształcie, aby uzyskać na powierzchni warstwę o jednorodnej grubości. Odparowanie musi odbywać się pod próżnią, aby uniknąć kolizji między oparami a jakąkolwiek cząsteczką obecną w powietrzu, w przeciwnym razie spowodowałoby to niejednorodną grubość. Osadzanie wymaga również umieszczenia pod próżnią, aby uniknąć jakiejkolwiek reakcji z medium. Obecność tlenu w autoklawie prowadziłaby, w przypadku osadu glinu, do tworzenia tlenku glinu , który zapobiegałby tworzeniu się cienkiej warstwy.
- Napylanie odbywa się w zamkniętej komorze. Katoda (tarcza) i anoda są narażone na duże różnice potencjałów. Podciśnienie w tej komorze pozwoli na powstanie zimnej plazmy złożonej z ujemnie i dodatnio naładowanych cząstek. Gaz, na ogół argon (A + / A-), jest do niego wtryskiwany w sposób ciągły, podczas gdy pompa stale opróżnia komorę. Plazma poddawana silnej aktywności elektrycznej będzie widzieć ujemnie naładowane cząstki przyciągane przez cel i osadzane na jego powierzchni. W obudowie działa również pole magnetyczne. Kiedy argon wyemituje elektron, zostanie on usunięty ze „strumienia” atomów oderwanych od pierwszej płytki, aby dotrzeć do celu. Dlatego pole magnetyczne zapobiega zderzeniom między tymi elektronami i atomami, które utworzą osad, a pole magnetyczne zwiększa w ten sposób wydajność osadzania.
Istnieją różne rodzaje rozpylania:
- napylania magnetronowego ma tę zaletę, że są kontrolowane bezpośrednio przez komputer. W rzeczywistości kwarc umożliwia pomiar osadu w czasie rzeczywistym poprzez zmianę natężenia prądu przepływającego przez tygiel zawierający materiał. Intensywność ta, dzięki efektowi Joule'a, podgrzewa materiał i odparowuje go (temperatura do 1000 ° C) Jednak komputer wymaga znajomości pewnych parametrów, takich jak impedancja akustyczna materiału i jego gęstość;
- rozpylania triody : dodawanie gorącego włókna działa jako katoda, elektrony są emitowane przez obejmujących niskie napięcie ujemne, podczas gdy unika się dodawania ciągłego gazu. Technika ta pozwala na zwiększenie szybkości osadzania;
- rozpylania wydrążoną katodą .
Charakterystyka cienkiej warstwy
Grubość
Grubość cienkiej folii jest podstawowym parametrem określającym jej właściwości. W przypadku cienkich warstw przeźroczystych dla światła widzialnego można zastosować metody interferometryczne (prążki interferencji między promieniami odbitymi na powierzchni warstwy a promieniami odbitymi na granicy cienkiej warstwy podłoża).
W razie potrzeby można zastosować promieniowanie rentgenowskie :
- metodą dyfraktometrii rentgenowskiej :
- metoda znana jako „reflektometria”, podobna do interferencji fal świetlnych; widzimy oscylacje sygnału, gdy poruszamy detektorem,
- metoda padania: detektor jest omiatany wokół piku charakterystycznego dla podłoża (jeśli jest ono krystalizowane ) dla danego padania promieni rentgenowskich; częstość występowania wzrasta, a kiedy obserwuje się szczyt, prawo Beera-Lamberta umożliwia oszacowanie grubości warstwy;
- metodą spektrometrii fluorescencji rentgenowskiej : mierzy się absorpcję linii emitowanej przez podłoże lub intensywność linii emitowanej przez cienką warstwę; metoda ta może również umożliwić określenie składu chemicznego warstwy.
Tekstura
Aby uzyskać informacje o fakturze cienkiej warstwy na powierzchni, np. O obecności aglomeratów, można zastosować:
Widzieć.
Warstwa (izolująca i / lub przewodząca) może mieć grubość od kilku atomów do około dziesięciu mikrometrów.
Modyfikuje właściwości podłoża, na którym jest osadzany. Cienkie folie oferują niższą wydajność niż ogniwa na bazie krzemu krystalicznego, są trudniejsze w produkcji, ale znacznie obniżają koszty produkcji (mniejsze zużycie metali i energii). W 2010 roku cienkimi foliami dominującymi na rynku były:
Wydaje się, że we Francji INES, Solsia, Alliance Concept i kilka innych firm prowadzą działania badawczo-rozwojowe dotyczące tych tematów.
Załączniki
Powiązane artykuły
Linki zewnętrzne
Bibliografia
-
(en) Anders, Andre (red.), Handbook of Plasma Immersion Ion Implantation and Deposition , 2000, Wiley-Interscience ( ISBN 0-4712-4698-0 ) .
-
(en) Bach, Hans i Dieter Krause (red.), Thin Films on Glass , 2003, Springer-Verlag ( ISBN 3-540-58597-4 ) .
-
(en) Birkholz, M., Fewster, PF and Genzel, C., Thin Film Analysis by X-ray Scattering , 2006, Wiley-VCH, Weinheim ( ISBN 3-527-31052-5 ) .
-
(w) Bunshah, Roitan F (red.), Handbook of technologii osadzania na folie i powłoki , 2 th ed. , 1994.
-
(en) Glaser, Hans Joachim, Large Area Glass Coating , 2000, Von Ardenne Anlagentechnik ( ISBN 3-00-004953-3 ) .
-
(en) Glocker and I. Shah (red.), Handbook of Thin Film Process Technology , tom 1 i 2, 2002, Instytut Fizyki ( ISBN 0-7503-0833-8 ) .
-
(en) Mahan, John E., Physical Vapor Deposition of Thin Films , 2000, John Wiley & Sons ( ISBN 0-471-33001-9 ) .
-
(en) Mattox, Donald M., Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD) Processing , 1998, Noyes Publications ( ISBN 0-8155-1422-0 ) .
-
(en) Mattox, Donald M., The Foundations of Vacuum Coating Technology , 2003, Noyes Publications ( ISBN 0-8155-1495-6 ) .
-
(en) Mattox, Donald M. and Vivivenne Harwood Mattox (red.), 50 Years of Vacuum Coating Technology and the Growth of the Society of Vacuum Coaters , 2007, Society of Vacuum Coaters ( ISBN 978-1-878068-27-9 ) .
-
(en) Westwood, William D., Sputter Deposition , Seria książek AVS Education Committee, vol. 2, 2003, AVS ( ISBN 0-7354-0105-5 ) .
-
(en) Willey, Ronald R., Practical Monitoring and Control of Optical Thin Films , 2006, Willey Optical, Consultants ( ISBN 978-06151-3760-5 ) .
-
(en) Willey, Ronald R., Practical Equipment, Materials, and Processes for Optical Thin Films , 2007, Willey Optical, Consultants ( ISBN 978-06151-4397-2 ) .
-
(en) Ohring, Milton, Materials Science of Thin Films: Deposition and Structure , 2 e ed. , 2002, Elsevier ( ISBN 978-0-12-524975-1 ) .
Bibliografia
-
Raport informacyjny na temat energii fotowoltaicznej przedstawiony przez Komisję Gospodarczą, czerwiec 2009.