Capa fina
Una capa delgada (en inglés : Thin Film ) es un recubrimiento cuyo espesor puede variar desde unas pocas capas atómicas hasta aproximadamente diez micrómetros. Estos recubrimientos modifican las propiedades del sustrato sobre el que se depositan. Se utilizan principalmente:
- en la fabricación de componentes electrónicos como células fotovoltaicas por sus propiedades aislantes o conductoras;
- para la protección de objetos con el fin de mejorar las propiedades mecánicas, resistencia al desgaste, corrosión o sirviendo como barrera térmica. Esto es, por ejemplo, cromado ;
- para modificar las propiedades ópticas de los objetos. En particular, citemos revestimientos decorativos (ejemplo de dorado) o modificadores del poder reflectante de las superficies (vidrios o espejos antirreflectantes ).
Dado que las películas delgadas son nano-objetos en una dirección del espacio, las propiedades físicas y químicas de las películas delgadas pueden diferir de las de los objetos macroscópicos en todas sus dimensiones. Por ejemplo, un material aislante cuando es de dimensiones macroscópicas puede volverse eléctricamente conductor en forma de una capa delgada debido al efecto de túnel .
Históricamente, las primeras capas delgadas se producían por vía húmeda gracias a una reacción química que conducía a la precipitación de precursores en solución sobre un sustrato. En este caso, se puede mencionar la formación del espejo de plata por reducción de iones Ag + (por ejemplo, solución de nitrato de plata AgNO 3 ) por azúcares .
Crecimiento
La fabricación de capas delgadas se realiza mediante deposición sobre un sustrato o sobre una capa fina previamente depositada. Los métodos utilizados tienen como objetivo controlar la estequiometría , el espesor y la estructura atómica de las capas formadas. Estos se dividen en dos subcategorías generales: químicas o físicas .
Depósito químico
Los muchos procesos que pertenecen a esta categoría están dominados por las reacciones químicas que conducen al crecimiento de la película delgada.
Hay varias variantes de deposiciones químicas:
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fase de vapor químico (CVD). La deposición química en fase de vapor consiste en hacer volátil un compuesto que luego se fijará por reacción química (condensación) sobre el sustrato. Para activar esta reacción, necesita un suministro de energía. Es por esto que existen varios tipos de CVD donde el suministro de energía se realiza de diferentes formas:
- La CVD térmica proporciona la energía necesaria en forma calorífica por calentamiento, ya sea por efecto Joule (paso de una corriente en el crisol), calentamiento por aplicación de un campo de alta frecuencia o por radiación térmica;
- el láser CVD proporciona la energía necesaria irradiando localmente el sustrato o la fase de vapor para provocar la excitación de las moléculas, aumentando así su reactividad;
- MOCVD ( organometálico ). Esta ECV se produce gracias a precursores organometálicos que tienen enlaces característicos en su estructura. Su inestabilidad térmica conduce a la descomposición del material a depositar. Su reacción a baja temperatura hace que la técnica sea menos costosa. Sin embargo, la técnica no es muy precisa porque las impurezas están presentes en la superficie y la toxicidad de los precursores dificulta la implementación de la técnica;
- ALD (deposición de capa atómica). En la mayoría de las técnicas de CVD, los precursores gaseosos se suministran de forma continua. En cuanto a la técnica ALD, los gases se van añadiendo uno tras otro. Después de cada inyección de gas, el recinto se purga para eliminar todas las moléculas de gas sin reaccionar resultantes de la reacción anterior;
- la técnica ILGAR es una técnica económica que es similar a la técnica ALD vista anteriormente. Esta técnica permite la deposición de capas de calcogenuro y sulfuro a presión atmosférica. La técnica se presenta como la ALD, se depositarán sucesivas capas permitiendo un buen control del espesor. Por tanto, este principio se puede resumir en tres etapas. Una primera en la que se aplica una solución precursora a un sustrato. El segundo es secar en un gas inerte para eliminar las moléculas de disolvente residuales. Finalmente, la sulfuración del precursor sólido tiene lugar con sulfuro de hidrógeno gaseoso;
- También existe la técnica de pirólisis por aspersión. Se realiza en cuatro etapas. El primero consiste en la atomización de la solución precursora. El segundo corresponde al transporte de gotas de aerosol al sustrato. Luego la evaporación del solvente, luego el esparcimiento de la sal precursora sobre el sustrato. Finalmente, el secado y descomposición de la sal precursora para iniciar el crecimiento de la capa delgada por pirólisis;
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sustancia química en fase de vapor asistida por plasma (PECVD);
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Método Langmuir-Blodgett ;
- por el proceso sol-gel que se utiliza poco debido a su bajo rendimiento;
- el recubrimiento por rotación (en inglés recubrimiento por rotación ) muestra el principio de recubrimiento por inmersión. La diferencia radica en la inmersión de la habitación. De hecho, aquí el depósito está más controlado, ya que el líquido se deposita en la pieza y luego entra en acción la centrífuga. Luego, el líquido se distribuirá por toda la superficie. La capa puede entonces alcanzar espesores mucho más finos;
- el recubrimiento por inmersión donde la pieza de trabajo se sumerge en un tanque. El espesor del depósito es entonces una función del tiempo de inmersión, la viscosidad del líquido, la densidad del fluido pero también la tensión superficial;
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electrodeposición (Inglés electrodeposición ). La galvanoplastia se realiza solo en partes metálicas. Se coloca un ánodo (por ejemplo, de cobre) en una llamada solución electrolítica (debe permitir la transferencia de electrones). Esta solución también contiene los iones que se fijarán en la pieza metálica. Luego se aplica una corriente eléctrica al ánodo de cobre y al cátodo (sala donde se realizará el depósito). Al aplicar una corriente, el oxidante perderá un electrón (oxidación) y el agente reductor ganará un electrón (reducción);
- la epitaxia es hacer crecer la forma orientada a la red cristalina. Hay tres tipos principales de epitaxia:
- La epitaxia en fase vapor hace que dos especies gaseosas reaccionen calentando los crisoles por efecto Joule. Por tanto, el espesor se controla variando la corriente en estos crisoles. Esta técnica es muy utilizada en la industria debido a su muy baja temperatura para el Si en el caso de la deposición de GaAs,
- La epitaxia de haz molecular se lleva a cabo en ultravacío a baja temperatura, alrededor de 850 K para GaAs. Estas capas son muy delgadas aquí, del orden de diez a cincuenta angstroms. Este proceso muy preciso también es muy caro y no tiene una cinética de deposición muy alta.
- La epitaxia en fase líquida se realiza sumergiendo un sustrato en un líquido. Este líquido luego reaccionará sobre la superficie del sustrato para formar una capa delgada. Esta técnica, aunque rápida y económica, es muy aproximada y no permite un buen control del espesor.
Depósitos físicos
- La evaporación al vacío se realiza de la misma forma que el agua calentada en una olla se condensa en la tapa. De hecho, el depósito en forma líquida se calienta hasta la temperatura de evaporación. El material a depositar entra entonces en fase de vapor y asciende en el autoclave hacia la placa donde se va a depositar. Luego, el vapor se condensará sobre el material para formar una capa delgada. Esta técnica implica que el depósito se debe realizar sobre una pieza de forma sencilla, con el fin de obtener una capa de espesor uniforme en la superficie. La evaporación debe realizarse al vacío para evitar cualquier colisión entre el vapor y cualquier molécula presente en el aire, de lo contrario esto daría como resultado un espesor heterogéneo. La deposición también requiere colocarla al vacío para evitar cualquier reacción con el medio. La presencia de oxígeno en el autoclave conduciría, en el caso de un depósito de aluminio, a la formación de óxido de aluminio , que evitaría la formación de la capa fina.
- La pulverización catódica se realiza en una cámara cerrada. Un cátodo (objetivo) y un ánodo están sujetos a grandes diferencias de potencial. Poner esta cámara al vacío permitirá la creación de un plasma frío, compuesto por partículas cargadas negativa y positivamente. El gas, generalmente argón (A + / A-), se inyecta en él de forma continua mientras una bomba evacua continuamente la cámara. El plasma que se somete a una fuerte actividad eléctrica verá sus partículas cargadas negativamente atraídas por el objetivo y depositadas en la superficie del mismo. También se aplica un campo magnético en el recinto. Cuando el argón emita un electrón, será eliminado del "flujo" de átomos arrancados de la primera placa para ir al objetivo. Por tanto, el campo magnético evita las colisiones entre estos electrones y los átomos que formarán el depósito, aumentando así el campo magnético la eficiencia del depósito.
Existen diferentes tipos de pulverización catódica:
- la pulverización catódica del magnetrón tiene la ventaja de ser controlada directamente por una computadora. De hecho, un cuarzo permite la medición en tiempo real del depósito variando la intensidad de la corriente que fluye a través del crisol que contiene el material. Esta intensidad por efecto Joule calentará el material y lo evaporará (temperatura hasta 1000 ° C). Sin embargo, la computadora requiere el conocimiento de ciertos parámetros, como la impedancia acústica del material y su densidad;
- el triodo de pulverización catódica : añadiendo un filamento caliente que actúa como cátodo, se emiten electrones al intervenir un voltaje negativo bajo, evitando la adición de un gas continuo. Esta técnica permite aumentar la velocidad de deposición;
- el cátodo hueco de pulverización .
Caracterización de la película fina
Grosor
El espesor de una película fina es un parámetro fundamental que determina sus propiedades. En el caso de películas delgadas transparentes a la luz visible, se pueden utilizar métodos interferométricos (franjas de interferencia entre los rayos reflejados en la superficie de la capa y los reflejados en la interfase de la capa fina del sustrato).
Cuando sea adecuado, los rayos X se pueden utilizar :
- por difractometría de rayos X :
- método conocido como "reflectometría", similar a la interferencia de ondas de luz; vemos oscilaciones de la señal cuando movemos el detector,
- método de incidencia rasante: el detector se barre alrededor de un pico característico del sustrato (si este último está cristalizado ), para una determinada incidencia de rayos X; se incrementa la incidencia, y cuando se ve el pico, la ley de Beer-Lambert permite estimar el espesor de la capa;
- por espectrometría de fluorescencia de rayos X : o se mide la absorción de una línea emitida por el sustrato, o se mide la intensidad de una línea emitida por la película delgada; este método también puede permitir determinar la composición química de la capa.
Textura
Para obtener información sobre la textura de la capa fina en la superficie, como la presencia de aglomerados, es posible utilizar:
Ver.
La capa (aislante y / o conductora) puede variar desde unos pocos átomos de espesor hasta alrededor de diez micrómetros.
Modifica las propiedades del sustrato sobre el que se deposita. Las películas delgadas ofrecen rendimientos más bajos que las células basadas en silicio cristalino, son más difíciles de producir, pero reducen en gran medida los costos de fabricación (menor consumo de metales y energía). En 2010, las películas delgadas que dominaban el mercado fueron:
En Francia, INES, Solsia, Alliance Concept y algunas otras empresas parecen estar llevando a cabo acciones de investigación y desarrollo sobre estos temas.
Apéndices
Artículos relacionados
enlaces externos
Bibliografía
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Referencias
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Informe de información sobre energía fotovoltaica presentado por la Comisión de Asuntos Económicos, junio de 2009.