Igazgató: Prof. BÁRSONY István DSc, H-1525 Budapest, Konkoly-Thege M. út 29-33, Tel.:+361-3922225, Fax:+361-3922226

MFA Nyári Iskola Középiskolásoknak

A jelentkezéssel kapcsolatos információk ITT.

dr. LÁBADI Zoltán #04B - ELEKTROKRÓM RÉTEGEK leválasztása reaktív porlasztással -
Témavezető: dr. LÁBADI Zoltán, Tel.:392-2222/3528,3540, Épület:29/A, Szoba: fsz.104, E-mail:labadi@mfa.kfki.hu, GEarth:(KFKI_29A)

1. ábra. A jövőben a függöny elhúzása helyett egyszerűen le is kapcsolhatjuk az ablakot...

A függöny behúzása helyett hamarosan csak lekapcsolni fogjuk az ablakot. Ennek a forradalmian új technológiának az elve már régóta az emberiség birtokában van, de a technológiai fejlettség és a fogyasztói kereslet most jutott arra a szintre, hogy a "jövő ablaka"-ként emlegetett le- és felkapcsolható ablak végre belátható időn belül mindenki számára elérhető lehet.

A technológia lényege egy olyan vékonyréteg bevonat, amely egyenfeszültség hatására változtatja az optikai tulajdonságait (átlátszóságát). Ezt nevezzük idegen szakkifejezéssel "elektrokróm" rétegnek. (A szó a görög "kromo" azaz szín szóból ered). Ezeket a rétegeket vákuumtechnológiákkal választják le az üvegek felületére.

Ebben segíthet nekünk az a vállalkozó kedvű diák, aki szeretne kicsit jobban megismerkedni a kapcsolható ablak elméletével, fejlesztéséhez használt technológiákkal és gyártásának módjával. A rendelkezésre álló idő alatt gyakorlatban választjuk le és vizsgáljuk a végső termék szempontjából kulcsfontosságú réteget, elektrokróm tulajdonságú molibdén-oxidot (MoO3).

2. ábra. Kívánságra ki-be kapcsolható réteg az ablak üveglemezei között.

Laborunk vékonyréteg szerkezetek előállítására és optimalizálására alkalmas leválasztó berendezésekkel fel van szerelve. Ezek segítségével vékonyréteg napelemek, valamint különböző optikai és elektromos tulajdonságú vékonyrétegek és rétegszerkezetek készíthetők és vizsgálhatók.

Az általunk alkalmazott technológia neve fizikai rétegleválasztás, ami egyrészt lehet ún. porlasztás, másrészt párologtatás. Elektrokróm tulajdonságú rétegek leválasztásához porlasztást, azon belül pedig reaktív porlasztást alkalmazunk.

A katódporlasztás alapja egy ritkított térben, két elektróda között létrehozott önfenntartó villamos kisülés, azaz plazma létrehozása. Ebben a ritkított térben az elektronok elektromos erőtér hatására gyorsulnak és ütköznek a - jellemzően nemesgáz - atomokkal, amelyekről további elektronokat szakítanak le. Az így keletkezett pozitív ionok az erőtér gyorsító hatására a katódba csapódnak és amennyiben energiájuk nagyobb valamely kötés energiájánál, atomokat lökhetnek ki onnan. Az így kilökött atomok a katóddal szemben elhelyezkedő anódon lévő hordozó felületébe ütköznek létrehozva ott a vékonyréteget.

3. ábra. A katódporlasztás sematikus ábrája.

A porlasztás sebességének növelésére fejlesztették ki a magnetronos porlasztást, mely eljárás a jelenleg alkalmazott technológiák között egyre nagyobb jelentőségre tesz szert.

A fentiekben vázolt egyszerű elvnél azonban a porlasztás folyamata lényegesen bonyolultabb. A legegyszerűbb DC porlasztás esetében sem egyértelmű, hogy a plazma ionizált nemezgáz atomjai porlasztani fogják a targetet. Többféle, sok esetben káros folyamat játszódhat le az ionok targettel és a vékonyréteggel történő kölcsönhatása közben.

A porlasztás közben kialakuló vékonyréteg tulajdonságait szintén egy sor paraméter befolyásolja, melyek hatását nem mindig fogalmazhatjuk meg általánosságban. Ezek kutatására alkalmasak a szisztematikusan kidolgozott kísérletsorozoatok, amilyen végigvitelére mód adódik a nyári iskola alatt is.

Reaktív porlasztás:

A reaktív porlasztás annyiban különbözik a fentebb vázolt egyszerű porlasztási eljárástól, hogy a gáztérbe nem csak nemesgáz atomokat vezetünk, hanem a target anyagából porlódott atomokkal reagáltatni kívánt gázt is. Az így reakciótérbe került gáz - a nemesgáz atomjaihoz hasonlóan - ionizálódik. Az ionizált atomok a target gázfázisba hozott atomjaival, illetve azoknak ionjaival a hordozó felszínén vegyületet képeznek. A reaktív porlasztásnál fontos megjegyezni, hogy a vékonyréteg anyagát képező molekulák nem a gáztérben alakulnak ki, reakció csak a hordozó, vagy a target felszínén történhet. A reaktív porlasztásnak három igen lényeges előnye van a nem reaktív, vegyület targetből történő leválasztással szemben:

  • Lehetővé teszi vegyületek leválasztását fém targetből.

  • Szigetelő vékonyrétegek választhatók le DC porlasztással.

  • A rétegek összetételét szabályozni lehet.

  • Mivel a kialakuló réteg összetétele függ a porlasztás paramétereitől ezeknek a változtatásával széles tartományban befolyásolhatjuk a kialakuló réteg tulajdonságait.

    A reaktív porlasztás rendkívül komplex folyamat. A leválasztott vékonyréteg összetételének paraméterfüggése még nem teljesen tisztázott. A nem reaktív porlasztással szemben, vegyületekről lévén szó, itt a kialakult réteg egyenletességén és minőségén kívül, figyelni kell a réteg összetételére is.


    Magnetronos porlasztás:
    4. ábra. A szekunder elektronok mozgása.

    További elterjedt konstrukciós elv a porlasztó berendezésekben az ún. síkmagnetron. Lényege abban áll, hogy a target mögött egy erős mágnes helyezkedik el (jellemzően állandó mágnes az egyszerűbb felépítés miatt, de lehet elektromágnes is). Az elrendezés előnyei közé tartozik, hogy DC és RF gerjesztés esetén is alkalmazható, valamint hogy jó rétegépülési sebességeket tesz lehetővé.

    Hagyományos (azaz mágneses tér alkalmazása nélküli) porlasztás során a targetről emittált szekunder elektronokat az elektromos tér egyenes vonalban gyorsítja az anód felé. Ezeknek az elektronoknak az energiája jellemzően hővé alakul és a hordozó vagy valamelyik gépelem melegedését, esetleg sugárkárosodást okoz. Berendezéskonstrukciós szempontból azonban ez veszteségként fogható fel, mivel ezek a töltések úgy lépnek ki a plazmatérfogatból, hogy ionizáló ütközést nem szenvednek. Ezt a problémát oldja meg a mágneses tér alkalmazása az ionizáló ütközések számának növelése által.

    A mágneseket a sík katódfelület mögött olyan elrendezésben rögzítik, hogy a target túloldalán a létrejövő mágneses tér zárt erővonalai - amelyek ideális esetben a katódfelületből merőlegesen lépnek ki és térnek oda vissza - a target felszínével párhuzamosan fussanak, ami egyben azt is jelenti, hogy az elektromos térerő-vektorra merőlegesek. Tekintsünk most egy targetből éppen kilépő szekunder elektront. Ennek kezdeti sebességét a kilépési energiája szabja meg, pályája pedig az ábrán látható módon alakul. Az egyidejűleg ható elektromos térerő gyorsító hatása és a Lorentz erő az elektont cikloid pályára kényszeríti. Elegendően erős mágneses tér esetén az elektron sebességének kialakul egy a target irányába mutató összetevője, és az elektron elhagyja a mágneses teret. Amikor ezután megközelíti a katód felületét a negatív elektromos tér fékező hatást fejt ki rá, és így az elektron egy pillanatra holtpontba jut. Ekkor ismét gyorsulni kezd, és a ciklikus folyamat kezdődik elölről.

    5. ábra. A csapdázott elektronok tipikus pályája és a target eróziójának jellegzetes képe.

    A szekunder elektronok cikloid pályán való mozgása jellemzően egy Ar atommal való ütközésig tart. Bár nem minden ütközés vezet ionizációhoz, de a magnetron beépítésének hatására az ionizációs hatásfok mégis lényegesen megnő. Az ilyen módon csapdázott elektronoknak köszönhetően a target kisülési áramsűrűsége 10-100 mA/cm2-re nőhet szemben a magnetron nélküli porlasztóforrásokra jellemző 1mA/cm2 értékkel.

    A síkmagnetronos porlasztók targetjének eróziója jellegzetes képet mutat. A target a két mágneses pólus közti sávban kopik erősen, míg a target anyagának jelentős része felhasználatlan marad.

    Az erózió következtében a magnetronos porlasztásnál a homogenitás kérdése igen kritikus. Ezt megfelelően tervezett árnyékolásokkal és a hordozó mozgatásával szokták kompenzálni.

    Sokkal bonyolultabb szabályozást igényel, ha a reaktív porlasztásnál alkalmazzuk a magnetront. A reaktív porlasztásnál ugyanis a porlasztás sebessége kritikus hatással van a réteg összetételére, ugyanakkor a porlódási sebesség magnetron alkalmazása esetén laterálisan komoly eltérést mutat.










    Tervezett feladatok:
    Molibdén oxid rétegek leválasztása magnetron polasztással: vizsgálni kell a rétegépülési sebességet és a réteg átlátszóságát a leválasztás paramétereinek függvényében.






    ELÉRHETŐSÉGEK:
    Témavezető: dr. LÁBADI Zoltán, Tel.:392-2222/3528,3540, Bp. XII. Konkoly-Thege M. út 29-33, Épület:29/A, Szoba:104, E-mail:labadi@mfa.kfki.hu, GEarth:(KFKI_29A)

    Utolsó frissítés: Tue, 05 May 2015 11:39:20 GMT, Számláló: