Plazmová depozice tenkých vrstev oxidu zinečnatého

Transkript

1 Plazmová depozice tenkých vrstev oxidu zinečnatého Bariérový pochodňový výboj za atmosférického tlaku Štěpán Kment Doc. Dr. Ing. Petr Klusoň Mgr. Zdeněk Hubička Ph.D.

2 Obsah prezentace Úvod do problematiky Základní informace o plazmatu Průmyslové aplikace plazmatu Využití vrstev oxidu zinečnatého Cíle experimentu Experimentální část Uspořádání aparatury Použité charakterizační metody Výsledky a diskuse Interpretace výsledků jednotlivých diagnostických metod Závěr Shrnutí výsledků dosavadní práce Plány do budoucna

3 Plazma I. Langmuir definoval plazma jako tzv. čtvrté skupenství hmoty Kvazineutrální soubor částic vykazující kolektivní chování Je schopno generovat globální elektrická a magnetická pole a na taková pole reagovat Plazma lze generovat tepelně, el. obloukem, tzv. doutnavým výbojem, rázovou vlnou Základním parametrem určující chování plazmatu je stupeň ionizace

4 Využití plazmatu Moderní osvětlovací výbojky zdroj plazmochemického prostředí pro vytváření povlaků tenkých vrstev (PECVD) indukčně vázané plazma je zdrojem iontů v analytické spektrální technice (ICP-MS, ICP-OES)???Budoucnost: termojaderná fůze v nukleonovém plazmatu jako nový zdroj energie vrstev oxidu zinečnatého Jedním z hlavních zástupců tzv. TCO vrstev (Transparent Conducting Oxide) Elektrody ve fotovoltaických článcích Zařízení na detekci plynů Monokrystalický ZnO jako zdroj emitujicího záření (laserové diody v blízké UV oblasti) Fotokatalyzátor

5 Co bylo našim cílem Najít optimální podmínky depozice pro reprodukovatelnost vrstev definovaných parametrů (transparentnost, adheze, homogenita) => TCO vrstvy pro solární články nové generace, detektory plynů Hledání způsobu dopování vrstev hliníkem z důvodu zvýšení vodivosti vrstev Důkladná charakterizace vrstev

6 Schéma aparatury nosný plyn N 2 chemické prekurzory- C 10 H 14 O 4 Zn, C 15 H 21 O 6 Al frekvence generátoru- 13,56 MHz pulzní režim délka pracovního cyklu- 10 ms substrát- SiO 2 sklo

7 hořící výboj

8 PECVD aparatura (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition)

9 Charakterizace vrstev XRD elipsometrie profilometre XPS AFM UV-VIS

10 XRD (rentgenová difrakční spektroskopie) ZnO na skle, BB Intensity [a.u.] vz Θ [ o ] ZnO

11 Rychlost nanášení Závislost rychlosti nanášení na teplotě vypařování prekursoru 400 Závislost rychlosti nanášení na průtoku nosného plynu 250 v [nm/min] t [ C] v [nm/min] QN 2 [sccm] Q He = 400 sccm Q N2 = 400 sccm s= 6 mm t= 3 min Tcova= 105 C s= 6mm t= 5 min

12 Měření rezistivity vrstev(metoda van der Pauwa) Metoda vhodná pro měření měrného odporu planparalelních destiček libovolného tvaru Metoda je nedestruktivní, rychlá, jednoduchá a přesná ρ π t R + R R ln 2 2 R AB, CD BC, DA AB, CD = f BC, DA ρ měrný odpor vrstvy [Ωcm] t tloušťka vrstvy [nm] R odpor [Ω] f korekční faktor f je funkcí pouze poměru R AB,CD / R BC,DA. U kulové destičky platí R AB,CD ~R BC,DA => f= 1 σ = 1 ρ σ měrná vodivost [S/cm] ρ měrný odpor [Ωcm]

13 Měření vodivosti vrstev Závislost měrné vodivosti na teplotě vypařování hliníkového prekurzoru Závislost měrné vodivosti vrstvy na vzdálenosti substrátu od trysky σ [S/cm] Q He /Q N QHe/QN2 450/450sccm t[ C] σ.10-2 [S/cm] Q He /Q N s[mm] 150/150sccm 300/300sccm 450/450sccm Tcova, Zn= 105 C t= 3 min s= 6 mm Tcova, Zn= 105 C Tcova, Al= 91 C t= 3min

14 AFM (atomic force microscop) 1000 nm na 2.70 nm 1000 nm na 500 nm 0.00 nm 500 nm 0 nm 0 nm 500 nm 1000 nm 0 nm 0 nm 500 nm 1000 nm 2.7 nm 1000 nm rms = 0.30 nm 1000 nm 500 nm 500 nm 0 nm 0 nm

15 Měření povrchové homogenity vrstev (profilometrické stanovení drsnosti vrstvy) 100 drsnost vlnitost 50 naměřená data drsnost [Å] l [µm] Maximální drsnost= nm Tloušťka vrstev= 350 nm l [µm]

16 Shrnutí na závěr Podařilo se najít podmínky při kterých se opakovaně získává vrstva požadovaných parametrů Námi vytvořené vrstvy jsou transparentní, vodivé, vysoce homogenní a krystalické Vrstvy byly úspěšně dopovány hliníkem, jehož vlivem došlo k prokazatelnému zvýšení jejich vodivosti a jak dále? Využití této metody k nanášení dalších oxidů, předevšímtio 2 Dopování vrstev TiO 2 různými prvky, např. pro posun tzv. absorpční hrany do viditelné oblasti Nanášení vrstev na substráty s nízkou tepelnou odolností Tvorba ochranných tenkých vrstev pro povrchově vázané primární absorbenty fotonového toku (např. FTC)