İnce tabaka

Bir ince tabaka (de İngilizce  : İnce Film ) a, kaplama , kalınlığı on mikrometre ile yaklaşık birkaç atom tabakası arasında değişebilir. Bu kaplamalar, üzerine yerleştirildikleri substratın özelliklerini değiştirir. Esas olarak kullanılırlar:

• yalıtkan veya iletken özelliklerinden dolayı fotovoltaik hücreler gibi elektronik bileşenlerin imalatında;
• mekanik özellikleri, aşınmaya, korozyona karşı direnci iyileştirmek için veya termal bir bariyer görevi görerek nesnelerin korunması için. Bu, örneğin, krom kaplamadır  ;
• nesnelerin optik özelliklerini değiştirmek için. Özellikle dekoratif kaplamalardan (yaldız örneği) veya yüzeylerin yansıtma gücünü değiştirmekten (yansıma önleyici camlar veya aynalar ) bahsedelim .

İnce filmler uzayın tek yönündeki nano nesneler olduklarından , ince filmlerin fiziksel ve kimyasal özellikleri makroskopik nesnelerden tüm boyutları ile farklılık gösterebilir. Örneğin, bir yalıtım malzemesi makroskopik boyutlarda olduğunda, tünel açma etkisinden dolayı ince bir film şeklinde bir elektrik iletkenine dönüşebilir .

Tarihsel olarak, ilk ince tabakalar , bir substrat üzerinde çözelti içinde öncülerin çökelmesine yol açan kimyasal bir reaksiyon sayesinde ıslak işlemle üretildi . Bu durumda, söz oluşumu yapılabilir gümüş ayna ile indirgenmesi ve Ag + iyonları (örneğin çözümü için gümüş nitrat iyodinin 3 ) Bu şekerler .

Büyüme

İnce tabakaların imalatı yapılır birikimi , bir alt-tabaka üzerinde ya da daha önce yerleştirilmiş bir ince tabaka üzerinde. Kullanılan yöntemler , oluşan katmanların stokiyometrisini , kalınlığını ve atomik yapısını kontrol etmeyi amaçlamaktadır . Bunlar iki genel alt kategoriye ayrılır: kimyasal veya fiziksel .

Kimyasal yatak

Bu kategoriye ait birçok işlem , ince filmin büyümesine yol açan kimyasal reaksiyonların hakimiyetindedir .

Kimyasal birikimlerin birkaç çeşidi vardır:

• kimyasal buhar fazı (CVD). Kimyasal buhar biriktirme, daha sonra substrat üzerinde kimyasal reaksiyonla (yoğunlaşma) sabitlenecek olan uçucu bir bileşiğin yapılmasından oluşur. Bu reaksiyonu etkinleştirmek için bir enerji kaynağına ihtiyacınız var. Bu nedenle, enerji beslemesinin farklı şekillerde yapıldığı birkaç CVD türü vardır:
• termal CVD, ya Joule etkisi (potadaki bir akımın geçişi), yüksek frekanslı bir alan uygulamasıyla ısıtma veya termal radyasyon yoluyla ısıtma yoluyla kalorifik formda gerekli enerjiyi sağlar ;
• lazer CVD, moleküllerin uyarılmasına neden olmak için substratı veya buhar fazını lokal olarak ışınlayarak ve böylece reaktivitelerini arttırarak gerekli enerjiyi sağlar;
• MOCVD ( organometalik ). Bu CVD, yapılarında karakteristik bağlara sahip olan organometalik öncüller sayesinde gerçekleşir. Termal kararsızlıkları, biriktirilecek malzemenin ayrışmasına neden olur. Düşük sıcaklık reaksiyonları, tekniği daha ucuz hale getirir. Bununla birlikte, teknik çok kesin değildir çünkü yüzeyde safsızlıklar mevcuttur ve öncüllerin toksisitesi tekniğin uygulanmasını zorlaştırır;
• ALD (atomik katman birikimi). Çoğu CVD tekniğinde, gaz halindeki öncüler sürekli olarak sağlanır. ALD tekniği ile ilgili olarak, gazlar arka arkaya eklenir. Her gaz enjeksiyonundan sonra, mahfaza, önceki reaksiyondan kaynaklanan reaksiyona girmemiş tüm gaz moleküllerini uzaklaştırmak için temizlenir;
• ILGAR tekniği, daha önce görülen ALD tekniğine benzer, pahalı olmayan bir tekniktir. Bu teknik, kalkojenit ve sülfit katmanlarının atmosferik basınçta birikmesine izin verir. Teknik ALD olarak sunulur, ardışık katmanlar biriktirilerek kalınlığın iyi kontrolüne izin verilir. Bu ilke bu nedenle üç aşamada özetlenebilir. Bir alt tabakaya bir öncül çözeltinin uygulandığı bir ilk. İkincisi, artık çözücü moleküllerini uzaklaştırmak için inert bir gazda kurutmadır. Son olarak, katı prekürsörün sülfürizasyonu gaz halindeki hidrojen sülfür ile gerçekleşir;
• püskürtme yoluyla piroliz tekniği de vardır. Dört aşamada yapılır. İlki, öncü çözeltinin atomizasyonundan oluşur. İkincisi, damlacıkların substrata aerosol taşınmasına karşılık gelir. Daha sonra çözücünün buharlaşması, ardından öncü tuzun substrat üzerine yayılması. Son olarak, piroliz ile ince tabakanın büyümesini başlatmak için öncü tuzun kurutulması ve ayrıştırılması;
• plazma destekli buhar fazlı kimyasal (PECVD);
• Langmuir-Blodgett yöntemi  ;
• ile sol-jel işlemi küçük olması nedeniyle düşük verim kullanılır;
• döndürerek kaplama (İngilizce döndürmeli kaplama ) daldırma kaplama prensibini göstermektedir. Fark, odanın daldırılmasında yatmaktadır. Nitekim burada birikinti daha kontrollüdür, çünkü sıvı parça üzerinde biriktirilir ve ardından santrifüj devreye girer. Sıvı daha sonra tüm yüzeye dağıtılacaktır. Katman daha sonra çok daha ince kalınlıklara ulaşabilir;
• daldırma ile kaplama iş parçası bir tank içine batırılır. Çökeltinin kalınlığı bu durumda daldırmada harcanan sürenin, sıvının viskozitesinin, sıvının yoğunluğunun ve aynı zamanda yüzey geriliminin bir fonksiyonudur;
• electrodeposition (English electrodeposition ). Elektrokaplama sadece metal parçalara yapılır. Bir anot (örneğin bakır), elektrolitik çözelti olarak adlandırılan bir çözelti içine yerleştirilir (elektronların transferine izin vermelidir). Bu çözelti aynı zamanda metal parçaya sabitlenecek iyonları da içerir. Daha sonra bakır anoda ve katoda (birikintinin gerçekleşeceği oda) bir elektrik akımı uygulanır. Bir akım uygulandığında, oksidan bir elektron kaybedecek (oksidasyon) ve indirgeyici ajan bir elektron kazanacaktır (indirgeme);
• epitaksi odaklı bir şekilde kafes kristal büyütmektir. Üç ana epitaksi türü vardır:
  • Buhar fazı epitaksi, iki gaz türünün potaları Joule etkisi ile ısıtarak reaksiyona girmesine neden olur. Böylece kalınlık, bu potalardaki akımı değiştirerek kontrol edilir. Bu teknik, GaAs biriktirme durumunda Si için çok düşük sıcaklığı nedeniyle endüstride yaygın olarak kullanılmaktadır.
  • moleküler ışın epitaksi, düşük sıcaklıkta ultra vakumda, GaAs için yaklaşık 850  K'da gerçekleştirilir . Bu katmanlar burada çok incedir, on ila elli angström arasındadır. Bu çok hassas işlem aynı zamanda çok pahalıdır ve çok yüksek çökelme kinetiğine sahip değildir.
  • Sıvı faz epitaksi, bir substratın bir sıvıya batırılmasıyla yapılır. Bu sıvı daha sonra substratın yüzeyinde reaksiyona girerek ince bir tabaka oluşturacaktır. Bu teknik, hızlı ve ucuz olmasına rağmen, çok yaklaşıktır ve iyi bir kalınlık kontrolüne izin vermez.

Fiziksel mevduatlar

• Vakum buharlaşma suyu kapağında bir kap sıvıya ısıtıldı, aynı şekilde yapılır. Aslında, sıvı haldeki tortu buharlaşma sıcaklığına kadar ısıtılır. Depolanacak malzeme daha sonra buhar fazına girer ve otoklavda depozitin yapılacağı plakaya doğru yükselir . Buhar daha sonra malzeme üzerinde yoğunlaşarak ince bir tabaka oluşturacaktır. Bu teknik, yüzeyde homojen kalınlıkta bir tabaka elde etmek için, çökeltinin basit bir şekle sahip bir parça üzerinde yapılması gerektiği anlamına gelir. Buhar ve havada bulunan herhangi bir molekül arasında herhangi bir çarpışmayı önlemek için buharlaşma vakum altında gerçekleştirilmelidir, aksi takdirde bu heterojen bir kalınlığa neden olur. Biriktirme ayrıca ortamla herhangi bir reaksiyonu önlemek için vakum altına yerleştirmeyi gerektirir. Otoklavda oksijenin varlığı, bir alüminyum tortusu olması durumunda , ince tabakanın oluşumunu önleyecek olan alüminyum oksit oluşumuna yol açacaktır.
• Püskürtme kapalı bir haznede gerçekleşir. Bir katot (hedef) ve bir anot, yüksek potansiyel farklılıklarına tabidir. Bu hazneyi vakum altına almak , negatif ve pozitif yüklü parçacıklardan oluşan soğuk bir plazmanın oluşmasına izin verecektir . Gaz, genellikle argon (A + / A-) içine sürekli olarak enjekte edilirken, bir pompa odayı sürekli olarak tahliye eder. Güçlü bir elektriksel aktiviteye maruz bırakılan plazma, negatif yüklü partiküllerin hedef tarafından çektiği ve bunun yüzeyinde biriktiğini görecektir. Muhafazaya bir manyetik alan da uygulanır. Argon bir elektron yaydığında, hedefe gitmek için ilk plakadan parçalanan atomların "akışından" çıkarılacaktır. Bu nedenle manyetik alan, bu elektronlar ile çökeltiyi oluşturacak atomlar arasındaki çarpışmaları önler, manyetik alan böylece biriktirme verimliliğini arttırır.

Farklı püskürtme türleri vardır:

• magnetron püskürtme , bir bilgisayar tarafından kontrol edilme avantajına sahiptir. Aslında, bir kuvars, malzemeyi içeren potadan akan akımın yoğunluğunu değiştirerek tortunun gerçek zamanlı ölçümüne izin verir. Bu yoğunluk Joule etkisiyle malzemeyi ısıtacak ve buharlaştıracaktır ( 1000  ° C'ye kadar sıcaklık . Ancak bilgisayar, malzemenin akustik empedansı ve yoğunluğu gibi belirli parametreler hakkında bilgi sahibi olmayı gerektirir;
• Püskürtme triyot  : sürekli bir gaz ilave kaçınarak bir katot olarak hareket eden bir sıcak tel ilave elektronlar düşük bir negatif voltaj içeren salgılar. Bu teknik, biriktirme hızının artırılmasına izin verir;
• delikli bir katot sprey .

İnce filmin karakterizasyonu

Kalınlık

İnce bir filmin kalınlığı, özelliklerini belirleyen önemli bir parametredir. Şeffaf ince filmlerin görünür ışığa dönüştürülmesi durumunda, interferometrik yöntemler ( tabakanın yüzeyinde yansıyan ışınlar ile arayüz ince alt tabaka tabakasında yansıtılanlar arasındaki girişim saçakları ) kullanılabilir.

Uygun olduğunda, X ışınları kullanılabilir  :

• tarafından röntgen difraktometn  :
  • ışık dalgalarının girişimine benzer "reflektometri" olarak bilinen yöntem; dedektörü hareket ettirdiğimizde sinyal salınımlarını görüyoruz,
  • otlatma insidansı yöntemi: detektör, belirli bir X-ışını insidansı için substratın bir tepe özelliği etrafında taranır (ikincisi kristalize ise ); insidans artar ve tepe görüldüğünde, Beer-Lambert yasası tabakanın kalınlığının tahmin edilmesini mümkün kılar;
• ile X-ışını floresans spektrometresi  : ya alt-tabaka tarafından yayılan bir hattın absorpsiyonu ölçülür ya da ince film tarafından yayılan bir çizgi yoğunluğu ölçülür; bu yöntem aynı zamanda tabakanın kimyasal bileşiminin belirlenmesini de mümkün kılabilir.

Doku

Topakların varlığı gibi yüzeydeki ince tabakanın dokusu hakkında bilgi edinmek için aşağıdakileri kullanmak mümkündür:

• mikroskop, elektron tarama  ;
• taramalı tünelleme mikroskobu .

Fotovoltaik alanında

Görmek.

Katman (yalıtkan ve / veya iletken) kalınlık olarak birkaç atomdan yaklaşık on mikrometreye kadar değişebilir .
Üzerine yerleştirildiği alt tabakanın özelliklerini değiştirir. İnce filmler, kristal silikon bazlı hücrelerden daha düşük verim sunar, üretilmeleri daha zordur, ancak üretim maliyetlerini büyük ölçüde azaltır (daha düşük metal ve enerji tüketimi). 2010 yılında pazara hakim olan ince filmler şunlardı:

• silikon (tek veya çok kristalli ve amorf );
• kadmiyum tellür (CdTe);
• di-selenid bakır indiyum (CIS).

Fransa'da INES, Solsia, Alliance Concept ve diğer birkaç şirketin bu temalar üzerinde araştırma ve geliştirme faaliyetleri yürüttüğü görülüyor.

Ekler

İlgili Makaleler

• Temiz enerji
• Fotovoltaik güneş enerjisi
• Solar Termal
• Dünya Güneş Mücadelesi
• Enerji depolama
• Güneş paneli
• Güneş enerjisi komiseri
• Ulusal Güneş Enerjisi Enstitüsü
• Tenerrdis
• Güneş Dürtü
• Uluslararası Yenilenebilir Enerji Ajansı
• Güneş dekatlon
• Çizik Testi
• İnce film üzerine araştırmaları bir araya getirmeyi amaçlayan Avrupa Enstitüsü VINF
• Kaplama kalınlığı ölçüm cihazı

Dış bağlantılar

• (tr) William B. Stine ve Michael Geyer, "  Power from the Sun  " ( Arşiv • Wikiwix • Archive.is • Google • What to do? ) (erişim tarihi 2 Ağustos 2017 ) , 2001.
• İnce imalatı filmler üzerinde, cilas.com .

Kaynakça

• (en) Anders, Andre (ed.), Handbook of Plasma Immersion Ion Implantation and Deposition , 2000, Wiley-Interscience ( ISBN  0-4712-4698-0 ) .
• (tr) Bach, Hans ve Dieter Krause (editörler), Thin Films on Glass , 2003, Springer-Verlag ( ISBN  3-540-58597-4 ) .
• (en) Birkholz, M., Fewster, PF ve Genzel, C., X-ray Scattering ile İnce Film Analizi , 2006, Wiley-VCH, Weinheim ( ISBN  3-527-31052-5 ) .
• (in) Bunshah, Roitan F (ed.), Films Biriktirme Teknolojileri Elkitabı ve Kaplamalar , 2 inci  baskı. , 1994.
• (en) Glaser, Hans Joachim, Geniş Alanlı Cam Kaplama , 2000, Von Ardenne Anlagentechnik ( ISBN  3-00-004953-3 ) .
• (en) Glocker ve I. Shah (editörler), Handbook of Thin Film Process Technology , Cilt 1 ve 2, 2002, Institute of Physics ( ISBN  0-7503-0833-8 ) .
• (en) Mahan, John E., İnce Filmlerin Fiziksel Buhar Birikimi , 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., Vakum Kaplama Teknolojisinin Temelleri , 2003, Noyes Yayınları ( ISBN  0-8155-1495-6 ) .
• (en) Mattox, Donald M. ve Vivivenne Harwood Mattox (ed.), 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) ) .
• (tr) Westwood, William D., Sputter Deposition , AVS Education Committee Book Series, cilt. 2, 2003, AVS ( ISBN  0-7354-0105-5 ) .
• (tr) Willey, Ronald R., Optik İnce Filmlerin Pratik İzlenmesi ve Kontrolü , 2006, Willey Optical, Consultants ( ISBN  978-06151-3760-5 ) .
• (en) Willey, Ronald R., Optik İnce Filmler için Pratik Ekipman, Malzemeler ve İşlemler , 2007, Willey Optical, Consultants ( ISBN  978-06151-4397-2 ) .
• (en) Ohring, Milton, İnce Filmlerin Malzeme Bilimi: Biriktirme ve Yapı , 2 e  ed. , 2002, Elsevier ( ISBN  978-0-12-524975-1 ) .

Referanslar

1. Ekonomi İşleri Komitesi tarafından hazırlanan fotovoltaik enerji hakkında bilgi raporu , Haziran 2009.