Plazmová depozice tenkých vrstev oxidu zinečnatého Bariérový pochodňový výboj za atmosférického tlaku Štěpán Kment Doc. Dr. Ing. Petr Klusoň Mgr. Zdeněk Hubička Ph.D.
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
Plazma 1928- 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
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
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
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
hořící výboj
PECVD aparatura (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition)
Charakterizace vrstev XRD elipsometrie profilometre XPS AFM UV-VIS
XRD (rentgenová difrakční spektroskopie) ZnO na skle, BB 300 200 101 Intensity [a.u.] 100 103 004 vz. 136 0 30 40 50 60 70 80 2Θ [ o ] ZnO
Rychlost nanášení Závislost rychlosti nanášení na teplotě vypařování prekursoru 400 Závislost rychlosti nanášení na průtoku nosného plynu 250 v [nm/min] 300 200 100 0 90 100 110 120 t [ C] v [nm/min] 200 150 100 50 0 0 200 400 600 800 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
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]
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 N2 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 QHe/QN2 450/450sccm 85 90 95 100 105 t[ C] σ.10-2 [S/cm] 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 Q He /Q N2 0 5 10 15 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
AFM (atomic force microscop) 1000 nm -21.25 na 2.70 nm 1000 nm -21.54 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 7-1000-1 rms = 0.30 nm 1000 nm 500 nm 500 nm 0 nm 0 nm
Měření povrchové homogenity vrstev (profilometrické stanovení drsnosti vrstvy) 100 drsnost vlnitost 50 naměřená data drsnost [Å] 0-50 -100-150 -200 300 250 200 150 100 0 100 200 300 400 500 l [µm] Maximální drsnost= 20-30 nm Tloušťka vrstev= 350 nm 50 0-50 -100-150 0 100 200 300 400 500 l [µm]
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)