Ohut kerros

Ohut kerros (in Englanti  : Thin Film ) on päällysteen , jonka paksuus voi vaihdella muutamasta atomikerrosta noin kymmenen mikrometriä. Nämä päällysteet muuttavat alustan ominaisuuksia, joille ne on kerrostettu. Niitä käytetään pääasiassa:

• elektronisten komponenttien, kuten aurinkokennojen, valmistuksessa niiden eristävien tai johtavien ominaisuuksien vuoksi;
• esineiden suojaamiseksi mekaanisten ominaisuuksien, kulumiskestävyyden, korroosion parantamiseksi tai lämpöesteenä. Tämä on esimerkiksi kromaus  ;
• muokata esineiden optisia ominaisuuksia. Mainitkaamme erityisesti koristepinnoitteet (esimerkki kullasta) tai pintojen heijastuskyvyn muokkaaminen (heijastamattomat lasit tai peilit ).

Koska ohutkalvot ovat nano-esineitä yhdessä avaruuden suunnassa, ohutkalvojen fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet voivat kaikilta osin poiketa makroskooppisten esineiden ominaisuuksista. Esimerkiksi eristävästä materiaalista, jos sen koko on makroskooppinen, voi tulla tunnelointivaikutuksen vuoksi sähköjohdin ohuen kerroksen muodossa .

Historiallisesti ensimmäiset ohut kerrokset tuotettiin märkäprosessilla kemiallisen reaktion ansiosta, joka johti esiasteiden saostumiseen liuoksessa substraatille. Tässä tapauksessa, voidaan mainita, että muodostumisen hopea peili , jonka vähentäminen on Ag + ionien (esimerkiksi liuos, jossa oli hopeanitraattia AgNO 3 ) mukaan sokereita .

Kasvu

Ohuiden kerrosten valmistus tapahtuu kerrostamalla alustalle tai aiemmin kerrostetulle ohuelle kerrokselle. Käytetyillä menetelmillä pyritään kontrolloimaan muodostuneiden kerrosten stökiometriaa , paksuutta ja atomirakennetta. Nämä jaetaan kahteen yleiseen alaluokkaan: kemialliset tai fysikaaliset .

Kemikaalikerros

Tähän luokkaan kuuluvia monia prosesseja hallitsevat ohutkalvon kasvuun johtavat kemialliset reaktiot .

Kemiallisia kerrostumia on useita:

• kemiallinen höyryfaasi (CVD). Kemiallinen höyrykerros koostuu yhdisteen tekemisestä haihtuvaksi, joka sitten kiinnittyy kemiallisella reaktiolla (kondensaatio) alustalle. Tämän reaktion aktivoimiseksi tarvitset energiansyötön. Siksi on olemassa useita CVD-tyyppejä, joissa energian toimitus tapahtuu eri tavoin:
• lämpö-CVD tarjoaa tarvittavan energian lämpömuodossa kuumentamalla joko Joule-vaikutuksella (virran kulkeminen upokkaaseen), lämmittämällä suurtaajuuskenttää tai lämpösäteilyllä;
• laser CVD antaa tarvittavan energian säteilyttämällä paikallisesti substraattia tai höyryfaasia molekyylien virityksen aikaansaamiseksi, mikä lisää niiden reaktiivisuutta;
• MOCVD ( organometalli ). Tämä CVD tapahtuu metallimetallien esiasteiden ansiosta, joiden rakenteessa on tyypillisiä sidoksia. Niiden terminen epävakaus johtaa kerrostettavan materiaalin hajoamiseen. Niiden reaktio alhaisessa lämpötilassa tekee tekniikasta halvempaa. Tekniikka ei kuitenkaan ole kovin tarkka, koska pinnalla on epäpuhtauksia ja esiasteiden toksisuus vaikeuttaa tekniikan toteuttamista;
• ALD (atomikerrostuma). Useimmissa CVD-tekniikoissa kaasumaisia ​​esiasteita toimitetaan jatkuvasti. ALD-tekniikan osalta kaasut lisätään peräkkäin. Jokaisen kaasuinjektion jälkeen kotelo puhdistetaan kaikkien edellisestä reaktiosta saatujen reagoimattomien kaasumolekyylien poistamiseksi;
• ILGAR-tekniikka on halpa tekniikka, joka on samanlainen kuin aiemmin nähty ALD-tekniikka. Tämä tekniikka sallii kalkogenidi- ja sulfidikerrosten kerrostumisen ilmakehän paineessa. Tekniikka on esitetty kuten ALD, peräkkäiset kerrokset kerrostuvat, mikä mahdollistaa paksuuden hyvän hallinnan. Tästä syystä tämä periaate voidaan tiivistää kolmessa vaiheessa. Ensimmäinen, jossa substraatille levitetään prekursoriliuos. Toinen on kuivaus inertissä kaasussa jäännösliuotinmolekyylien poistamiseksi. Lopuksi kiinteän esiasteen rikkihapotus tapahtuu kaasumaisella rikkivetyllä;
• on olemassa myös pyrolyysitekniikka ruiskuttamalla. Se tehdään neljässä vaiheessa. Ensimmäinen koostuu esiliuoksen sumutuksesta. Toinen vastaa pisaroiden aerosolikuljetusta alustaan. Sitten liuotin haihtuu, sitten esiastesuolan levitys substraatille. Lopuksi prekursorisuolan kuivaus ja hajottaminen ohuen kerroksen kasvun aloittamiseksi pyrolyysillä;
• plasma-avusteinen höyryfaasikemikaali (PECVD);
• Langmuir-Blodgett-menetelmä  ;
• että sooli-geeli-prosessi, joka on vähän käytetty, koska sen matala saanto;
• spin pinnoite (vuonna Englanti spin coating ) esittää periaatetta kastamalla. Ero on huoneen upottamisessa. Todellakin tässä kerrostumista hallitaan paremmin, koska neste kerrostuu osalle, sentrifugi alkaa toimia. Neste jakautuu sitten koko pinnalle. Kerros voi sitten saavuttaa paljon ohuemmat paksuudet;
• kastamalla , jossa työkappale upotetaan säiliöön. Kerroksen paksuus riippuu tällöin upotuksessa käytetystä ajasta, nesteen viskositeetista, nesteen tiheydestä mutta myös pintajännityksestä;
• elektrodepositio (englanninkielinen elektrodepositio ) Galvanointi tehdään vain metalliosille. Anodi (esimerkiksi kupari) sijoitetaan ns. Elektrolyyttiseen liuokseen (sen on sallittava elektronien siirtyminen). Tämä ratkaisu sisältää myös metalliosaan kiinnitettävät ionit. Sitten sähkövirta syötetään kuparianodille ja katodille (huone, jossa kerrostuma tapahtuu). Virtaa käytettäessä hapetin menettää elektronin (hapettuminen) ja pelkistävä aine saa elektronin (pelkistys);
• epitaxy on kasvaa kidehilan suuntautunut tavalla. Epitaksia on kolme päätyyppiä:
  • Höyryfaasinen epitaksia saa kaksi kaasumaista ainetta reagoimaan kuumentamalla upokkaat Joule-vaikutuksella. Paksuutta hallitaan siten vaihtelemalla näiden upokkaiden virtaa. Tätä tekniikkaa käytetään laajalti teollisuudessa johtuen sen erittäin alhaisesta lämpötilasta Si: lle GaAs-laskeuman tapauksessa,
  • molekyylisädeepitaksia suoritetaan ultra-tyhjössä matalassa lämpötilassa, noin 850  K GaAs: lle. Nämä kerrokset ovat täällä hyvin ohuita, luokkaa 10–50 angströmiä. Tämä erittäin tarkka prosessi on myös erittäin kallis eikä sillä ole kovin korkeaa kerrostumiskinetiikkaa.
  • Nestefaasin epitaksia tehdään upottamalla substraatti nesteeseen. Tämä neste reagoi sitten substraatin pinnalle muodostaen siten ohuen kerroksen. Vaikka tämä tekniikka on nopea ja halpa, se on hyvin likimääräinen eikä salli hyvää paksuuden hallintaa.

Fyysiset kerrostumat

• Tyhjöhaihdutusta tehdään samalla tavalla, että vesi lämmitetään potin kondensoituu kannessa. Itse asiassa saostuma nestemäisessä muodossa lämmitetään haihdutuslämpötilaan. Kerrostettava materiaali siirtyy sitten höyryfaasiin ja nousee autoklaavissa kohti levyä, johon kerrostuma on tarkoitus tehdä. Sitten höyry tiivistyy materiaaliin muodostaen ohuen kerroksen. Tämä tekniikka tarkoittaa, että kerrostuminen on tehtävä yksinkertaisen muotoiselle kappaleelle homogeenisen paksuuden kerroksen saamiseksi pinnalle. Haihdutus on suoritettava tyhjössä, jotta vältetään höyryn ja ilmassa olevien molekyylien välinen törmäys, muuten se johtaisi heterogeeniseen paksuuteen. Laskeuma edellyttää myös asettamista tyhjiöön reaktion välttämiseksi väliaineen kanssa. Hapen läsnäollessa autoklaavissa johtaisi tapauksessa alumiini talletus, muodostumista alumiinioksidin , joka estäisi muodostumisen ohut kerros.
• Sputterointi tapahtuu suljetussa kammiossa. Katodi (kohde) ja anodi altistuvat suurille potentiaalieroille. Tämän kammion asettaminen tyhjiöön mahdollistaa kylmän plasman muodostumisen, joka koostuu negatiivisesti ja positiivisesti varautuneista hiukkasista. Kaasua, yleensä argonia (A + / A-), ruiskutetaan siihen jatkuvasti, kun taas pumppu tyhjentää jatkuvasti kammion. Voimakkaalle sähköiselle aktiivisuudelle alttiissa plasmassa näkyy, että kohde vetää puoleensa negatiivisesti varautuneet hiukkaset ja kerrostuvat sen pinnalle. Koteloon kohdistuu myös magneettikenttä. Kun argoni lähettää elektronin, se poistuu ensimmäisestä levystä repeytyneiden atomien "virtauksesta" kohteeseen menemiseksi. Magneettikenttä estää siten näiden elektronien ja kerrostuman muodostavien atomien törmäykset, magneettikenttä lisää siten kerrostumatehokkuutta.

Sputterointia on erilaisia:

• magnetroniruiskutuksessa on se etu, että ohjataan suoraan tietokoneeseen. Kvartsi mahdollistaa tosiasiallisen kerrostuman mittaamisen vaihtelemalla materiaalia sisältävän upokkaan läpi virtaavan virran voimakkuutta. Tämä voimakkuus lämmittää materiaalia Joule-vaikutuksella ja haihduttaa sen (lämpötila jopa 1000  ° C: seen) . Tietokone vaatii kuitenkin tietyt parametrit, kuten materiaalin akustisen impedanssin ja tiheyden;
• sputterointi transistori  : lisätään kuuma hehkulanka toimii katodina, elektronit emittoidaan ottamalla alhainen negatiivinen jännite, ja samalla välttää lisäämällä jatkuvasti kaasua. Tämän tekniikan avulla kerrostumisnopeutta voidaan lisätä;
• spray ontto katodi .

Ohuen kalvon karakterisointi

Paksuus

Ohutkalvon paksuus on olennainen parametri, joka määrittää sen ominaisuudet. Tapauksessa läpinäkyvä ohutkalvojen näkyvää valoa, voidaan käyttää interferometrinen menetelmiä (reuna häiriöiden välillä kilo pinnalle kerroksen ja ne heijastetaan rajapinnan ohuen substraattikerroksen).

Tarvittaessa röntgensäteitä voidaan käyttää  :

• by Röntgendiffraktometria  :
  • "reflektometriana" tunnettu menetelmä, samanlainen kuin valoaaltojen häiriö; näemme signaalin värähtelyjä liikuttaessamme ilmaisinta,
  • laiduntekijämenetelmä: detektori pyyhkäistään substraatille tyypillisen huipun ympäri (jos se kiteytyy ) annetulle röntgentiheydelle; ilmaantuvuus lisääntyy, ja kun huippu näkyy, Beer-Lambert-laki antaa mahdollisuuden arvioida kerroksen paksuus;
• by X-ray fluoresenssi spektrometria  : joko imeytymistä emittoimaa substraatti mitataan, tai intensiteetti emittoimaa ohut kalvo mitataan; tämä menetelmä voi myös mahdollistaa kerroksen kemiallisen koostumuksen määrittämisen.

Rakenne

Tietojen saamiseksi pinnan ohuen kerroksen rakenteesta, kuten agglomeraattien esiintymisestä, on mahdollista käyttää:

• pyyhkäisyelektronimikroskoopilla  ;
• tunnelointimikroskooppi .

Vuonna aurinkosähkö alalla

Katso.

Kerros (eristävä ja / tai johtava) voi vaihdella muutamasta atomista paksuuteen noin kymmeneen mikrometriin.
Se muuttaa substraatin ominaisuuksia, joille se on kerrostettu. Ohutkalvot tarjoavat alhaisempia saantoja kuin kiteiseen piiin perustuvat solut. Niitä on vaikeampaa tuottaa, mutta ne vähentävät huomattavasti valmistuskustannuksia (pienempi metallien ja energian kulutus). Vuonna 2010 markkinoita hallitsevat ohutkalvot olivat:

• pii (mono- tai monikiteinen ja amorfinen );
• Kadmiumtelluridi (CdTe);
• di-selenide kupari indium (CIS).

Ranskassa INES, Solsia, Alliance Concept ja muutamat muut yritykset näyttävät toteuttavan tutkimus- ja kehitystoimia näistä aiheista.

Liitteet

Aiheeseen liittyvät artikkelit

• Puhdas energia
• Aurinkosähköinen aurinkoenergia
• Aurinkolämpö
• Maailman aurinkohaaste
• Energia varasto
• Aurinkopaneeli
• Aurinkoenergiavaltuutettu
• Kansallinen aurinkoenergialaitos
• Tenerrdis
• Aurinkoimpulssi
• Kansainvälinen uusiutuvan energian virasto
• Aurinkokilpailu
• Naarmuuntumistesti
• VINF , eurooppalainen instituutti, jonka tavoitteena on koota ohutkalvotutkimus
• Pinnoitteen paksuuden mittauslaite

Ulkoiset linkit

• (en) William B. Stine ja Michael Geyer, "  Power from the Sun  " ( Arkisto • Wikiwix • Archive.is • Google • Mitä tehdä? ) (käytetty 2. elokuuta 2017 ) , 2001.
• Ohutkalvojen valmistus osoitteessa cilas.com .

Bibliografia

• (en) Anders, Andre (toim.), Handbook of Plasma Immersion Ion Implantation and Deposition , 2000, Wiley-Interscience ( ISBN  0-4712-4698-0 ) .
• (en) Bach, Hans ja Dieter Krause (toim.), Thin Films on Glass , 2003, Springer-Verlag ( ISBN  3-540-58597-4 ) .
• (en) Birkholz, M., Fewster, PF ja Genzel, C., Thin Film Analysis by X-ray Scattering , 2006, Wiley-VCH, Weinheim ( ISBN  3-527-31052-5 ) .
• (in) Bunshah, Roitan F. (toim.), Handbook of Deposition Technologies for Films and Coatings , 2 th  ed. , 1994.
• (en) Glaser, Hans Joachim, Large Area Glass Coating , 2000, Von Ardenne Anlagentechnik ( ISBN  3-00-004953-3 ) .
• (en) Glocker ja I. Shah (toim.), Ohutkalvoprosessitekniikan käsikirja , osa 1 ja 2, 2002, Fysiikan instituutti ( ISBN  0-7503-0833-8 ) .
• (en) Mahan, John E., Thin Films 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 Vacations of Vacuum Coating Technology , 2003, Noyes Publications ( ISBN  0-8155-1495-6 ) .
• (en) Mattox, Donald M. ja Vivivenne Harwood Mattox (toim.), 50 vuotta tyhjiö pinnoite teknologia ja kasvu Society of Vacuum Coaters , 2007, Society of Vacuum Coaters ( ISBN  978-1-878068-27-9 ) .
• (en) Westwood, William D., Sputter Deposition , AVS Education Committee Book Series, voi. 2, 2003, AVS ( ISBN  0-7354-0105-5 ) .
• (en) Willey, Ronald R., Optisten ohuiden elokuvien käytännön seuranta ja hallinta , 2006, Willey Optical, konsultit ( ISBN  978-06151-3760-5 ) .
• (en) Willey, Ronald R., Optisten ohutelokuvien käytännön laitteet, materiaalit ja prosessit , 2007, Willey Optical, konsultit ( ISBN  978-06151-4397-2 ) .
• (en) Ohring, Milton, Ohutkalvojen materiaalitiede: laskeuma ja rakenne , 2 ja  toim. , 2002, Elsevier ( ISBN  978-0-12-524975-1 ) .

Viitteet

1. Talousasiain valiokunnan kesäkuussa 2009 toimittama tiedot aurinkosähköstä .