Разработка установки для создания тонких пленок методом ионного наслаивания

Актуальность работы
Особенности метода ионного наслаивания:
Прецизионное регулирование толщины синтезируемого слоя
Нанесение слоев на изделия сложной формы, больших размеров, в том числе на гибкие подложки
Комнатная температура синтеза
Использование простых в аппаратурном отношении автоматизированных установок
Применение в различных сферах:
Газовые сенсоры
Солнечные элементы
Оптоэлектронные приборы
Пассивирующие защитные покрытия
на поверхности металлов

Цель работы
Разработать автоматизированную установку для формирования тонкопленочных покрытий методом ионного наслаивания
Задачи
Создать блок управления электромеханической и термостатирующей частями установки.
Написать программное обеспечения в среде LabVIEW для управления технологическим процессом нанесения слоев.
Проверить работоспособность установки на примере получения тонких полупроводниковых пленок.

Метод ионного наслаивания (SILAR, SILD)
Метод основан на последовательных реакциях на границе раздела подложка/раствор

1 – основание;
2, 3, 4 – устройство вертикального перемещения;
5, 6, 7 – устройство горизонтального перемещения;
8, 9, 10 – держатель образца с закрепленным в нем образцом;
11 – сосуды для жидкостей;
12, 13 – сосуды закрепленные в нагревателях;
14 – блок управления;
15 – компьютер;
16 – герметичный бокс;
17, 18 – отслеживание положения образца;
21 – съемные термодатчики
Автоматизированная установка для ионного наслаивания

1 – плата Arduino Mega;
2 – плата управления шаговыми двигателями;
2.1 – шаговые двигатели;
2.2 – микро-переключатели;
3 – плата термостатирования растворов;
3.1 – термодатчики;
3.2 – нагреватели;
4 – источник питания;
5 – сеть 220 В;
6 – USB порт
Общая принципиальная
электрическая схема
Блок управления
Принимаемые сигналы
Сигналы управления

Плата управления шаговыми двигателями
Внешний вид печатной платы
Принципиальная электрическая схема функциональных элементов платы управления шаговыми двигателями
1 – управление шаговым двигателем;
2 – считывание сигнала с микропереключателя

Плата термостатирования растворов
Внешний вид печатной платы
Принципиальная электрическая схема функциональных элементов платы термостатирования растворов
1 – управление мощностью нагревателя
2 – считывание значений температуры с термо-датчика
(использован принцип ПИД регуляции);

Программное обеспечение
2-11 – контроль пространственного расположения подложки;
12 – контроль скоростей процесса;
13 – контроль времен наслаивания;
16 – отображение времени всего процесса;
17-19 – отображение законченности процесса;
21-27 – контроль температуры

Получение тонких пленок CdS после 10, 20, 30 и 50 циклов
Топология пленки после 10 циклов (50x50 мкм)
Топология пленки после 50 циклов (50x50 мкм)

Измерение толщины пленки CdS после 30 циклов наслаивания
Топология границы травления образца (10x10 мкм)
Профили пленки сульфида кадмия в различных точках границы травления

Оптические свойства пленок
Спектры оптической плотности образцов
50
Зависимость толщины пленки от количества циклов нанесения

Определение оптической ширины запрещенной зоны (ШЗЗ)
2,42 эВ ШЗЗ CdS
30
50
20
10

Заключение
Основные конструктивные и технико-эксплуатационные показатели установки:
точность позиционирования образца относительно реагентов – 8 мкм,
скорость перемещения подложки в растворе – от 0,5 до 2,9 мм/с,
предельный размер подложки – 30х35х2 мм3,
диапазон термостатирования растворов – от 45 до 90 °C,
точность термостатирования ±3°C.
С помощью установки получены образцы после 10 – 50 циклов наслаивания, толщина пленок которых составляет от 1,3 нм до 25,5 нм.
Оптически определенная ширина запрещенной зоны полученных материалов лежит в диапазоне 2,32 эВ – 2,47 эВ.

Спасибо за внимание

Внешний вид установки

ПИД-регулятор
Формула для расчета времени во включенном состоянии
Управление мощностью, выделяемой нагревателем, осуществляется при изменении отношения времен включенного t1 и выключенного состояния t2 при одинаковом общем t равном 0,5 c