RAPORTARE STIINTIFICA

ETAPA 2/2021

 

 

Implementare industriala a tehnologiei inovative de obținere structuri de straturi subțiri transparent conductive cu efect antistatic și protecția de bandă largă la interferențe electromagnetice

 

 

 

CO – SC MGM Star Construct SRL

Partener 1 – Institutul National de Cercetare-Dezvoltare pentru Inginerie Electrica ICPE-CA

Partener 2 – Institutul National de Cercetare Dezvoltare pentru Optoelectronica INOE-2000

 

CUPRINS

 

 

 

 

            1. Obiective 2020

            2. Proiectare și realizare instalație destinată implementării tehnologiei inovative

            3. Testarea tehnologiei inovative de depunere prin depuneri de straturi subțiri pe instalația realizată

            4. Optimizare uniformităţii depunerilor pe piese reale de structuri hibride de straturi subțiri de tip sandwich alcătuite din două straturi TCO, un strat de Ag dopat cu Cu si strat antireflex

            5. Depuneri pe piese reale de structuri hibride de straturi subțiri de tip sandwich alcătuite din două straturi TCO, un strat de Ag dopat cu Cu si strat antireflex

            6. Validarea tehnologiei inovative de depunere prin vaporizare fizică în vid a unor structuri de straturi subțiri transparent conductive cu efect antistatic și protecția de bandă largă la interferențe

            7. Testare funcţională si anduranţă eșantioane reale cu straturi subțiri transparent conductive cu efect antistatic și protecția de bandă largă la EMI

            8. Diseminare

9. Brevetare

            10. Concluzii.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Obiective 2021

 

        Conform Planului de realizare, pentru etapa 2/2021, au fost prevazute urmatoarele obiective si activitati:

 

 

2. Proiectare și realizare instalație destinată implementării tehnologiei inovative

 

Pentru implimentarea tehnologiei de depuneri multistrat Cu-Ag-ITO a fost utilizata instalatia de depuneri in vid Z-550S Leybold.

 

  

 

   

 

 

Pentru instalatia de depuneri in vid Z-550S Leybold Au fost proiectate, modificate si adaptate urmatoarele aspecte:

- montare a 3 catozi sputtering de 6 inch, unul pentru Cu, unul pentru Ag si unul pentru ITO pentru asigurarea depunerilor tuturor 3 materiale in acelas proces tehnologic;

- platou suport piese a fost modificat pentru fixarea suportilor/pieselor de pana la 150x150mm sau cu diametrul de pana la 150mm;

- adaptarea sursei in radiofrecventa 13 MHz TIS-2,5 Huttenger pentru curatirea in plasma a pieselor inainte de tratament si asigurarea aderentei;

- adaptarea sursei DC sputtering SSV-3,5 Leybold-Heraus pentru controlul depunerii de Ag;

- adaptarea sistemei HiPIMS Ionautics cu sursa HiPIMS 6kWt pentru controlul depunerii de Cu si ITO (prin comutare selectiva). Deasemnea sursa BIAS 1kWt pentru asistarea depunerilor de Cu, Ag si ITO.

- controlul sistemei HiPIMS/BIAS este realizate prin soft specific. Forma semnalelor tensiuni/curenti pot fi monitorizate cu osciloscopul 354A LeCroy.

Caracteristicile temporale reale ale pulsurilor de putere si a tensiunii si curentului la substrat pot fi vizualizate in figura de maijos, care ilustreaza o imagine a ecranului osciloscopului. Curbele reprezentate au urmatoarele semnificatii:

Canalul 1- Ubias este tensiune de polarizare pe substrat, fixata la valoare de 100 V, sincornizata cu tensiunea pulsului de putere si cu o durata totala de puls de 195 ms

Canalaul 2-Ibias este curentul la substrat, care are o dezvoltare in timp ce depseste durata pulsului, datorita sarcinolor care ajung cu intarziere la substrat in perioada de after-glow

Canalul 3-Upuls este tensiunea pulsului de putere aplicata pe tinta de Cu

Canalul 4-Ipuls este curentul pulsului de putere pe tinta de Cu

Referinta-Ipuls este o curba tipica ce reprezinta forma curentului pentru pulsu de putere, utilizata pentru a compara cu conditiile curente d eproces si pentru a asigra reproductibilitatea in c epriveste utilizarea acelorasi caracterisitici ale pulsului.

 

Imagine a ecranului osciloscopului pe parcursul derularii procesului de depunere HiPIMS cu tinta de Cu

 

Controlul uniformității straturilor la scala dimensională dorita, respectiv 10 cm, a fost realizat folosind măști geometrice plasate in fata catodului pentru a putea controla fluxul de depunere la substrat.

In vederea îmbunătățirii uniformității au fost aduse modificări succesive măștilor utilizate. In figurile următoare sunt reprezentate formele măștilor optimizate in aceasta etapa, individual pentru fiecare tip de material.

 

Masca de geometrica  depunere Cu, varianta originala si varianta modificata/optimizata	Masca geometrica pentru depunere Ag, varianta optimizata	Masca geometrica pentru depunere ITO, varianta optimizata

 

            Ca urmare a acestor experimente si încercări succesive au fost selectate versiunile de măști de uniformitate din figurile de mai sus, acestea fiind folosite in continuare pentru obținerea de straturi subțiri in variante mono strat si multistrat, atât pe eșantioane de măsură cat si pe probe reala cu dimensiuni tipice de 10x10 cm. Pofilele de grosime obținute au o buna uniformitate, cu abateri ce nu depășesc 10% din grosimea totala a stratului depus, asa cum se poate vedea in figura de mai jos

 

Profile de grosime in directie radiala pentru cele trei materiale utilizate, Ag Cu si ITO, obtinute utilizand mastile geometrice optimizate

 

Pentru implementarea tehnologiei de depuneri optice antireflex a fost utilizata instalatia de depuneri optice in vid VU-2M cu sistema de control optic SFKT de masurare in reflexie si sitema de control fizic al ratei si grosimii XTC INFICON.

 

  

 

Pentru instalatia de depuneri in vid VU-2M au fost proiectate si executate monturi de prindere piese la dimensiunile si configuratiile pieselor.

 

3. Testarea tehnologiei inovative de depunere prin depuneri de straturi subțiri pe instalația realizată

 

A fost abordata tehnologia depunere Ag prin metoda DC sputtering, depunere Cu prin metoda HiPIMS sputtering si depunere ITO prin metoda HiPIMS sputtering. Probele au fost efectuate pe lame test din sticla, Si si cu grila de fotorezist (tehnica Lift-Off), deasemenea pe piese mari.

In urma testelor preliminare s-a ajuns la urmatoarele concluzii:

- depunerea de Cu prin metoda HiPIMS la puterea de 250Wt si frecventa de 225Hz;

- depunerea de Ag prin metoda DC sputtering la puterea de 100Wt;

- BIAS pentru ambele materiale stabilizat la 100V;

- viteza de rotatie platou cu piese este de 6 rot/min;

- piesele trec o singura data prin fata catodului de Cu apoi al celui de Ag. Corelarea puterilor si a vitezei de rotatie asigura grosimile optime pentru aceste materiale;

- depunerea de ITO prin metoda HiPIMS la puterea de 1000Wt si frecventa de 900Hz;

- debitul de argon este mentinut la 25sccm pentru toate 3 materiale evaporate, iar vidul la valoarea de 10^-2mbar.

 

 

Evaluarea transmitantei optice a fost făcută atât pentru monostraturile de Ag si ci ITO cat si pentru structuril multistrat. Pentru a selecta parametrii de depunere au fost efectuate mai multe serii de depuneri urmate de caracterizarea optica a straturilor. Pentru straturile de Ag si Cu s-a optat pentru o depunere la o singura trecere a substratului prin fata catodului, variere ratei de depunere fiind facuta rpin variatie puterii aplicate pe tinte. Pentru straturile de ITO a fost folosita o putere constanta de 1000 W, grosimea fiind variata prin variere duratei de depunere.

 

 

Curebele de transmitatnta pentru stratuirl de Cu, Ag si ITO de diferite grosimisi pentru multistratuile de tip CuAg si Cu AgITO.

 

In figura de mai sus sunt reprezentate si  curbele spectrofotometrice pentru câteva versiuni de structuri multistrat, conținând Cu Ag si ITO. Sunt reprezentate de asemenea curbele pentru stratul Ag obținut la 100 W, care intra in compoziția acestor multistraturi. Se observa ca adiția de Cu înaintez stratului de Ag creste reflectivitatea in IR si transmisia in vizibil. Diferențele intre efectele obținute cu straturile de  Cu 150 si Cu 250 sunt destul de mici. Acest lucru indica faptul ca odată depășit un prag de conținut de Cu efectul benefic nu mai creste odată cu creșterea cantității de Cu.

Stratul care conține si ITO la temperatura camerei pierde mult din transmisie, scăzând pana la 50 % , pe fondul unei absorbții pronunțate. Acest lucru indica prezenta unui strat sub-stoichiometric, care are probabil prea puțin oxigen, fiind necesar un tratament termic ulterior depunerii pentru a ii aduce aportul de oxigen necesar.

 

4. Optimizare uniformităţii depunerilor pe piese reale de structuri hibride de straturi subțiri de tip sandwich alcătuite din două straturi TCO, un strat de Ag dopat cu Cu si strat antireflex

 

Au fost executate teste depuneri din fiecare catod (Cu, Ag, ITO) si analizata uniformitatea depunerilor pe suprafata de 100x100mm.

 

  

 

Din rezultatele obtinute si analiza a fost proiectate si executate blende de uniformizare.

 

  

 

Testarea uniformitatii a fost realizata pe depuneri pe lame test din sticla, Si si lame cu grila de fotorezist (tehnica Lift-Off).

 

  

 

Pentru obținerea unor straturi sufficient de subtiri a fost necesar ca procesul sa fie realizat printr-o singura trecere a substratului prin fata tintelor. Tinta de Cu este alimentata in regfim pulsate de mare putere HIPIMS. Modificarea ratei de depunere a fost facuta prin varierea puterii totale applicate pe tinta, corelata cu modificarea freceventei pulsurilor. In acest fel a fost posibil ca, la puteri diferite, forma si amplitudinea pulsurilor sa ramana aceiasi. In figura de mai jos sunt reprezentate formele tipice de puls pentru o variatie a puterii in intervalul 100-1000 W, corespunzatoare unei variatii a frecventei pulsurilor in intervalul 90-900 Hz. Din aceste variatii se poate observa ca durata pulsului este de 65 microsecunde iar tensunea pe puls este de 650V. De asemenea se poate observa ca la variere puterii applicate a fost mentinuta o valaore de varf a intensitati curentului de 60 A. Singura situatie in care valoarea de varf este mai mica se poate observa pentru o putere aplicata de 100 W, in acest caz curentul maxim ce poate fi extras este in jurul valorii de 40 A

Caracteristicle temporale ale pulsurilor de putere pe o tinta de Cu, intr-un interval de putere cuprins intre 100-1000 W, corespunzand unei variatii a frecventei in intervalul 90-900 Hz

 

Pentru studiul referitor la conditiile optime de proces pentru configuratie TCO ce contine Cu su Ag au fost depuse straturi de Cu in regim pulsat de mare putere utilizand urmatoare puteri: 150, 250, 500 si respectiv 750 W. Scopul realizarii acestir depuneri a fost identificarea conditiilor in acre stratul de Cu este sufisicnet de subtitre pentru a fi transparent, dar contribuie in acelasi timp la uniformizare stratului de Ag. din aceste caracterisitic temporale ale pulsui s epoate observa ca forma acestuia ramane constanta, cu o valoarea curentului de pulse egala cu ~`60 A. Varierea simultana a puterii si a frecventei de repetitie permite astfel utilizarea acelorasi conditii de proces in c epriveste puslurile individuale.

Caracteristicile temporale ale pulsurilor de putere pe o tinta de Cu, corespunzatoare conditiilor experimentale in care au fost depuse straturile de Cu pentru investigarea condițiilor optime

 

 

 

5. Depuneri pe piese reale de structuri hibride de straturi subțiri de tip sandwich alcătuite din două straturi TCO, un strat de Ag dopat cu Cu si strat antireflex

 

 

Au fost efectuate depuneri pe piese reale din sticla la dimensiunile de 100x100mmm, 150x150mm si pe suport flexibil (folii telefon).

Depunerile TCO compuse din Cu-Ag-ITO pe suprafata I au fost realizate pe instalatia de vid Z-550-S Leybold (conform IT-0023 - Cu-Ag-ITO).

 

  

 

Parametrii de proces:

 

Nr.	Parametru	Un. de masura	Valoare impusa	Echipament
1	Vid inaintat	mbar	2x10-3	Vacuumetru
2	Dozare azot Debit/Vid	sccm/ mbar	35/1x10-2	MFC
3	Curatire in plasma Putere Inc./Refl/timp	Wt/Wt/sec	200/20/200	TIS-2,5
4	Vid inaintat	mbar	2x10-3	Vacuumetru
5	Dozare argon Debit/Vid	sccm/ mbar	25/10-2	MFC
6	Polarizare BIAS Tensiune	V	100	HiPIMS/BIAS
7	Depunere Cu Putere/frecventa/timp	Wt/Hz/sec	250/225/10	HiPIMS
8	Depunere Ag Putere/timp	Wt/sec	100/10	SSV-3,5
9	Depunere ITO Putere/frecventa/timp	Wt/Hz/sec	1000/900/1260	HiPIMS
10	Devidare			Ventil admisie aer
11	Temperatura oxidare	°C	450	Cuptor Lindberg
12	Timp oxidare	min	120	Cuptor Lindberg
13	Curatire si inspectare piese			Hota
14	Masurare rezistivitate	Ω/□	15-50	FPP-100
15	Masurare transmisie optica	%	>80	Spectrofotometru Lambda-19 Perkin Elmer

 

Depunerea de strat antireflex pe suprafata II compusa de simplu strat de MgF2 a fost realizata pe instalatia de vid VU-2M (IT-0021 - AR-MgF2). Parametrii de proces:

 

Nr.	Parametru	Un. de masura	Valoare impusa	Echipament
1	Vid inaintat	Pa	2x10-3	Vacuumetru
2	Dozare azot Vid	Pa	4	MFC
3	Rotatie carusel piese	Rot/min	10	Controller rotatie
4	Curatire in plasma Glow Discharge Curent/timp	mA/min	100/5	Sistema GD
5	Incalzire Temperatura	°C	350	Controller temperatura
6	Vid inaintat	mbar	2x10-3	Vacuumetru
7	Sursa e-gun Tensiune/Curent iemisie	V/mA	6000/50	Sistem ELI-6
8	Rata/Grosime	Å/sec/nm	1÷2/91	XTC Inficon
9	Semnal fotometric	mV	600 Ø 165 Ö 245	SFKT – reflexie in 440nm
10	Devidare			Ventil aer
11	Masurare transmisie optica	%	>80	Spectrofotometru Lambda-19 Perkin Elmer

 

Depunerea de strat antireflex multistrat TiO2/SiO2 pe suprafata I (peste depunerea multistrat Cu-Ag-ITO) a fost realizata pe instalatia de vid VU-2M (IT-0022 - AR-TiO2-SiO2).

 

 

 

Parametrii de proces:

 

Nr.	Parametru	Un. de masura	Valoare impusa	Echipament
1	Vid inaintat	Pa	2x10-3	Vacuumetru
2	Dozare azot Vid	Pa	4	MFC
3	Rotatie carusel piese	Rot/min	10	Controller rotatie
4	Curatire in plasma Glow Discharge Curent/timp	mA/min	100/5	Sistema GD
5	Incalzire Temperatura	°C	350	Controller temperatura
6	Vid inaintat	mbar	2x10-3	Vacuumetru
7	Sursa e-gun Tensiune/Curent emisie	V/mA	6000/50-250	Sistem ELI-6
8	I strat TiO2 - Semnal fotometric	mV	240 Ö  582	SFKT – reflexie in 420nm, lama 1
9	I strat TiO2 - Rata/Grosime	Å/sec/nm	1÷2/13.1	XTC Inficon
10	II strat SiO2 - Semnal fotometric	mV	600 Ö  741 Ø 701	SFKT – reflexie in 420nm, lama 1
11	II strat SiO2 - Rata/Grosime	Å/sec/nm	1÷2/37.5	XTC Inficon
12	III-1 strat TiO2 - Semnal fotometric	mV	90 Ö  669 Ø  608	SFKT – reflexie in 420nm, lama 2
13	III-1 strat TiO2 - Rata/Grosime	Å/sec/nm	1÷2/60.9	XTC Inficon
14	III-2 strat TiO2 - Semnal fotometric	mV	90 Ö  669 Ø  608	SFKT – reflexie in 420nm, lama 3
	III-2 strat TiO2 - Rata/Grosime	Å/sec/nm	1÷2/60.9	XTC Inficon
15	IV strat SiO2 - Semnal fotometric	mV	600Ø126 Ö255	SFKT – reflexie in 420nm, lama 3
16	IV strat SiO2 - Rata/Grosime	Å/sec/nm	1÷2/96.9	XTC Inficon
10	Devidare			Ventil aer
11	Masurare transmisie optica	%	>80	Spectrofotometru Lambda-19 Perkin Elmer

 

 

 

Piese reale (geam sticla si folie telefon)

Fata I - tratamet Cu-Ag-ITO-AR(TiO2/SiO2)

Fata II -  tratament AR(MgF2)

 

6. Validarea tehnologiei inovative de depunere prin vaporizare fizică în vid a unor structuri de straturi subțiri transparent conductive cu efect antistatic și protecția de bandă largă la interferențe

 

Au fost realizate Instructiunile tehnologice (anexate):

1. IT-0023 - Cu-Ag-ITO;

2. IT-0021 - AR-MgF2;

3. IT-0022 - AR-TiO2-SiO2.

In continuare au fost realizate doua versiuni tehnologice ale stratului TCO cu strat anti reflex, respectiv una cu depunere anti reflex pe fata opusa stratului TCO si una cu depunere anti reflex pe ambele fete. Variația curbelor spectrofotometrice indica faptul ca tratamentul termic este necesar pentru a obține o transmisie superioara in domeniul vizibil, si o absorbție mai scăzută. De asemenea, la adăugarea unui strat anti reflex de MgF₂ pe fata opusa se observa o îmbunătățire ușoara a transmisiei in domeniul vizibil, curba verde. Efectul cel mai pregnant este obținut in configurația in care sunt depuse straturi anti reflex pe ambele fete, aceasta ducând la o scădere semnificativa a reflexiei, precum si la o creștere a transmisie spre un platou in jurul valori de 80%.

 

	Curbele spectrofotometrice pentru multistraturile: - Cu150W/Ag100W_ITO21minRT:fara tratament termic Cu150W/Ag100W_ITO21min450C: tratamentu termic la 450 grade Cu150W/Ag100W_ITO21min450C_AR2_MgF2: dupa tratemnt termic, cu strat antireflex de MgF pe fata opusa stratului TCO Cu150W/Ag100W_ITO21min450C_ AR1_MgF2_AR2_MgF2 : dupa tratemnt termic, cu strat antireflex de MgF2 pe ambele fete

 

In concluzie, au fost obținute straturi transparente conductoare, cu o structura multistrat de tipul: AR2-sticla-Cu-Ag-ITO-AR1 care răspund exigențelor privind transparenta straturilor conductoare, având o transparență de circa 80 % in domeniul spectral vizibil.

 

7. Testare funcţională si anduranţă eșantioane reale cu straturi subțiri transparent conductive cu efect antistatic și protecția de bandă largă la EMI

 

Testele cu variatii temperatura si umiditate au fost realizate in Camera Climatica Heraus Votch la pemperaturi de +85°C, -45°C si umiditate relativa de 98% la temperatura +24°C

 

 

 

Testele EMI au fost realizate prin colaborare cu SC BlueSpace Technology SRL pe echipament specializat ( Spectrum analyzer IZ225, RF Generator INTRIPLE IZ124, incinta ecranata) conform IEEE Std 299-1997, pentru care au fost executate holdere din Cu pentru prinderea pieselor la testare.

 

 

 

 

Atenuare 10M 3G 61pct fereastra cu geam normal #1,5mmm, deschidere 90x90mmm

 

 

Atenuare 10M 3G 61pct fereastra cu geam tratat 1 #1,5mm 90x90mm

 

 

 

8. Diseminare

 

1. Vizita delegatiei romane in Cairo Egipt 06-10.09.2021 organizata de catre CN Romtehnica SA si intalnirea cu Arab Organization for Industrialization, Egyptian National Organization for Military Production si Egyptian Armaments Authority.

In cadrul intalnirii au fost prezentate facilitatile, tehnologiile si produsele SC MGM Star Construct SRL.

Un interes deosebit a fost acordat progresului proiectului ThinSafe privind depunerilor transparent conductive cu efect antistatic și protecție EMI pentru implimentarea pe produse specifice.

 

2. Articolul cu titlul „Transparent silver coatings with copper addition for improved conductivity by combined Dc and HiPIMS process” a fost trimis spre publicare la revista Metals.

 

9. Brevetare

 

A fost depusa la OSIM Cererea de Brevet de Inventie A/00768 din 09.12.2021 cu titlul „Tehnologie pentru controlul coalescentei straturilor transparente conductoare de argint cu aditie de cupru”

 

10. Concluzii.

 

·         Au fost selectate cele mai importante materiale pentru aplicații ca straturi transparent conductive ecranante de radiații electromagnetice, din compușii oxidici, de tipul:

o   oxid de indiu dopat cu Sn, (In₂O₃:SnO₂ , 95:5/90:10, raport masic %) (ITO),

o   ZnO dopat cu Al (ZnO:Al₂O₃, 98:2, raport masic %) (AZO)

·         Au fost obținute și experimentate straturi transparent conductoare dde tip ITO utilizănd tehnica de pulverizare în impuls de mare putere HiPIMS.

·         Straturile ITO obținute sunt transparent conductive cu traansmitanțe optice în de ordinul 90% în vizibil, având rezistivități excelente de ordinul, r = ( 0,37 – 1) x 10^-3 W×cm cu ceea ce le fac extrem de atrăgătoare pentru ecranarea electromagnetică, mai ales în combinație cu straturi de Ag care au rezistivități de ordinul r =  (2 -3) x 10^-5 W×cm. Filmele de ITO și Ag au fost caracterizate prin metoda celor patru puncte cu echipamente performnte (vezi anexe).

·         Filmele ITO prezintă grdosimi intre 260 si 420 nm iar pentru filmele subțiri din Ag s-a reușit printrd-o metodă inovativa controlul depunerii de la grosimi de ordinul 8 nm pâna la 11 nm.

·         Microstructurile filmelor subțiri ITO au fost investigate utilizând difractia de raze X Cu-Ka la o lungime de undă de 1.5406 A. Filmele ITO tratate termic sunt cristalines, cu o mărime a cristalitelor curinsă între (25 – 31) nm.

·         Probele eșantionate sub formă de discuri din sticlă Schott cu diametrul de 25 mm și grosimea de 2 mm, cu timpii de depunere 15 min., 18 min., 21 min. și 24 min. (notate ITO 15, ITO 18, ITO 21 și ITO 24) au fost investigate prin difracție de raze X la unghiuri mici (incidență razazntă) utilizând difractometrul Bruker-AXS tip D8 ADVANCE, incidență normală Bragg-Brentano.

·         Identificarea straturilor ITO s-a facut cu ajutorul bazei de date International Centre for Diffraction Data – ICDD-2013. Fișa corespunzătoare pentru straturile ITO, examinate:  PDF 01-089-4597 (ICDD, 2013).

·         Straturile tratate termic prezinta o crestere in intensitate a picurilor suplimentare în raport cu picul (222). Picurile suplimentare cresc in intensitate o data cu cresterea grosimii straturilor. Picurile de la (400), (440) și (622) cresc în intensitate o dată cu creșterea grosimii straturilor.

 

                               

 

CO                                            MGM STAR CONSTRUCT SRL

Director de Proiect                    Fiz. Valentina Capatina

 

Contact
Director de Proiect - Fiz. Valentina Capatina - +40742288352 - office@mgmstar.ro, valentina.capatina@yahoo.com
Director Stiintific - Fiz. Arcadie Sobetkii - +40744893946 - office@mgmstar.ro, sobetkii@yahoo.com
Director General - Mihai Visan - +40722447051 - office@mgmstar.ro