Elettronica per Pulsed Electron Deposition E. Sbardella A.D’Uffizi M. Bazzi Immagine fornita per gentile concessione da NOIVION srl.

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1 Elettronica per Pulsed Electron Deposition E. Sbardella A.D’Uffizi M. Bazzi Immagine fornita per gentile concessione da NOIVION srl.

2 PULSED ELECTRON DEPOSITION PED è un processo nel quale un fascio pulsato (100ns) di elettroni ad alta potenza( 1KA – 15 KV) penetra approssimativamente 1 um all’interno di un bersaglio, provocando una rapida trasformazione del materiale colpito in un plasma di componenti del target (processo di ablazione). Sotto condizioni ideali, la stechiometria del bersaglio è preservata nel film depositato. Qualunque materiale solido: metallico, semiconduttore o isolante può essere depositato come film sottile tramite PED.

3 PERCHE’ LA PED A differenza delle usuali tecniche ad onda continua, il principale vantaggio del sistema pulsato è la capacità di generare una densità di potenza molto alta: ≈10 8 W/cm 2 sulla superficie del bersaglio. Come risultato, le proprietà termodinamiche del materiale bersaglio, come il punto di fusione e il calore specifico diventano ininfluenti nel processo di evaporazione. Questo è particolarmente vantaggioso in caso di materiali compositi. Come nel caso della Pulsed Laser Deposition, la PED permette di depositare tramite un’unica piattaforma di deposizione, film sottili di materiali complessi su una vasta gamma di substrati. La tecnica è scalabile e conveniente per grandi volumi realizzati.

4 La PED è in grado di realizzare film molto sottili (1nm – 5μm) di metalli, ossidi e semiconduttori e svariati componenti. I film sottili sono usati oggi in migliaia di prodotti high- tech. Grande opportunità di applicazione in nuovi prodotti e settori non ancora raggiunti Sottile come una bolla di sapone Semiconductor Displays Lenti Photovoltaics Protesi Tools POSSIBILI CAMPI DI UTILIZZO Immagine fornita per gentile concessione da NOIVION srl.

5 PULSED ELECTRON DEPOSITION Sequence Process: “Channel spark discharge” Beam of Energetic electrons ~5-10 keV ~ 100 ns pulse ~0.1 – 0.8 J/pulse Energetic plasma stream Process gas ambient 1 – 10mBar (Argon) Inventor of the technology- C. Schultheiss (FZK, Germany)

6 PULSED ELECTRON DEPOSITION Circuito di trigger Controlla l’iniezione del plasma Camera di deposizione (P= 10 -3 – 10 -2 mbar) Hallow cathode Dove si produce il fascio di elettroni dovuto alla scarica del plasma

7 LE CRITICITA’ TECNICHE La PED e' una tecnica nuova che viene implementata per la prima volta su scala industriale; Le sorgenti elettroniche usate per l'ablazione devono essere potenziate, rispetto a quelle esistenti, per poter garantire durata, affidabilità e velocità di deposizione ~10 volte superiori ai modelli usati per R&D; Il CIGS e' un materiale complesso la cui riproducibilità richiede un alto grado di controllo del processo di deposizione anche per efficienze relativamente modeste (~ 12-13%);

8 Possibilità di ablare materiali complessi Ampia gamma di materiali inclusi I materiali ottico-trasparenti (impossibile con PLD). Più conveniente rispetto ad una PLD, non ci sono gas costosi. Dimensioni ridotte per la sorgente di elettroni Possibilità di avere un array in grado di depositare larghe aree di film. Possibilità di avere più sorgenti nella stessa camera da vuoto. POTENZIALITA’ DELLA PED

9 IL MERCATO

10 NEOCERA COSTO 50 000€

11 CHANNEL SPARK DISCHARGE 0.8kA

12 LIMITI CANNONI ESISTENTI 1.Basso rate di deposizione (10 Hz) 2.Costi elevati (50KEuro) 3.Manutenzione troppo frequente (tubo di allumina da cambiare ogni settimana di funzionamento) 4.Mercato semi-monopolizzato (Neocera)

13 INDICATORI DEL PROGETTO IndicatoreValore attualeObiettivo Efficienza cella da laboratorio ~1cm 2 15,2%>16% Dimensione max celle realizzate 2.5x7.5cm16x16cm Aumento rate di crescita15-10x SubstratoVetroLamina metallica

14 PARTI DA SVILUPPARE CONFINAMENTO ELETTRONICO deposizione di parte del materiale sulle pareti del tubo e sostituzione ogni settimana!!! SWITCH AD ALTA POTENZA layout elettronico e switch di potenza che possa funzionare per 4 cannoni in parallelo e un rate di almeno 100Hz.

15 Plume shadowing: - Degrado capillare - Bassa resa - Alta manutenzione CONFINAMENTO ELETTRONICO Ugello di laval

16 CONFINAMENTO ELETTRONICO Esprimendo: in funzione del numero di Mach: dove ρ; densità del gas u; velocità del gas A; area della sezione del condotto e sostituendo nell'equazione di conservazione della massa si ottiene: Flusso quasi-unidimensionale isotropico di un gas perfetto: P: Pressione V: Velocità T: Temperatura (CONSERVAZIONE DELLA MASSA) UGELLO DI LAVAL

17 SWITCH AD ALTA POTENZA PROBLEMATICHE: RESISTENZA DI CHIUSURA TROPPO ELEVATA (~30 ohm) RESISTENZA DI APERTURA FINITA CORRENTE MASSIMA DI ESERCIZIO NON SUFFICIENTE PER 4 CANNONI. COSTO PROIBITIVO ~4K€ SWITCH IN USO

18 Risultati Test HTS Dai test risulta che il behlke presenta una resistenza di chiusura tutt’altro che trascurabile, così che ~25% della potenza viene dissipata sulla sua resistenza interna scaldandolo e quindi ponendo un limite alla tensione e alla frequenza applicabili. Durante il funzionamento si ha un effetto di autoinnesco della scarica, che sebbene in condizioni normali risulta pilotata dal segnale di trigger, nel caso in cui questo trigger cessa, il sistema continua a scaricare ad un rate definito dalle costanti di tempo interne al sistema. In sostanza il Behlke non riesce a chiudere perfettamente e introduce energia nel sistema anche quando dovrebbe essere un circuito aperto.

19 SOLUZIONI POSSIBILI TYRATRON SOLID STATE

20 THYRATRON Il modello di thyratron individuato è prodotto dalla e2v ed è il modello CX1154C che presenta le seguenti caratteristiche:

21 SOLID STATE SWITCH Specifiche da ottenere: Resistenza di chiusura di pochi mOhm. Resistenza di apertura diverse centinaia di MOhm. Velocità di commutazione ~ 10ns Corrente max di esercizio > 4kA Tensione max di lavoro ~ 25kV Corrente media ~ 0.2A

22 CAMERA DI DEPOSIZIONE Le due serie di cannoni, contenuti nella camera e con i quali si effettuerà la deposizione, saranno fissati in modo rigido alla struttura della camera da vuoto ed incideranno con un angolo di 45° su dei target rotanti; tale disposizione è il risultato di una indagine mirata a massimizzare l’uniformità dello spessore del depositato sulla superficie utile del substrato. Nella figura in basso è riportato il risultato dell’indagine nel caso della geometria cannone-target-substrato considerata (la legenda si riferisce a valori di spessore normalizzati al valore massimo). Il risultato dell’indagine nel caso della geometria cannone-target-substrato considerata

23 VELOCITA’ DI CRESCITA SurfaceGunsUniformityWhCosto en.(€)g per deposizioneCosto mat. € Costo Totale € 25x25 mm 2 194.1 ± 3.6%2.254.5x10 -4 5.1x10 -2 0.01420.0146 160x160 mm 2 483.4 ± 9.9%7.314.63x10 -4 1.66x10 -1 0.04620.0476 160x160 mm 2 689.6 ± 8.5%9.1318.27x10 -4 2.07x10 -1 0.05760.0594 Attualmente per crescere 1.6 μm di CIGS a 270°C con la sorgente PEBS20 della Neocera Dalla tabella di denota che per coprire una superficie di 25x25 mm 2 (  =15.2%) occorrono 9.2 minuti con 8.5Hz di Repetition Rate. Questo rate equivale a 0.25 nm/impulso. Se i cannoni lavorassero a 100 Hz, garantirebbero la deposizione di uno strato di 1.6 μm di CIGS in 47 secondi. Nel caso di 4 e 6 cannoni, riusciamo a depositare sui 16x16 cm 2 in modalità statica, ottenendo uniformità sempre crescenti. Considerando un rendimento del 16%, ogni cella da 16x16 ha una potenza circa 4,1Wp. Quindi quattro cannoni a 100 HZ produrrebbero circa 4Wp ogni minuto. Potenza in un anno = 60minx24hx330g x4 ≈ 2MWp Quindi se la macchina di deposizione è composta da 10 blocchi così fatti è in grado di produrre circa 20MWp all’anno.

24 Macchina di deposizione da realizzare

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