Fotonika Vékonyrétegek - bevonatok

FotonikaVékonyrétegek - bevonatok Dr. Kovács Gábor BME Mechatronika OptikaésGépészetiInformatika Tanszék http://www.mogi.bme.hu

Optikai bevonatok • Optikai tulajdonságok módosítása • Transzmisszió növelése, csökkentése • Reflexió növelése, csökkentése • Speciális transzmissziós/reflexiós karakterisztikák --- anyagában színezett szűrők • Polarizációs tulajdonságok módosítása • Diffúz reflexió, transzmisszió • Szilárdság (karcállóság) növelése • Környezeti hatások (nedvesség, savak) kivédése • Gyártástechnológia • Galvanizálás • Diffúziós festés • Porlasztás • Vákuum gőzölés

Diffúz reflexiós tulajdonságok • Maximális reflexió • BaSO4 por • PTFE (Teflon) por • Spectralon festék • Reflexiós etalonok • Lambert reflexiós felületek létrehozása • Felületi struktúra • Homogenitás • A reflexió csökkentése • DeSoto Black paint • Akzo Nobel 463-3-8 (CAT-A-LAC) • Aeroglaze Z306 poliuretán bevonat • Superblack • Verticalcarbonnanotubes (R<0.045%)

Fémrétegek • Fémes visszaverődés • Kis behatolási mélység • Nagy reflexió • Komplex törésmutató • n=n(1-ik) k:abszorpciós együttható • Polarizációs hatások • Ibe=IR+IT+IA a réteg vastagságával a reflexió nő, az áteresztés csökken • Féligáteresztő tükrök • %-os tükrök • nyalábosztók

Nyalábosztók • Egyszerű nyalábosztó • Többszörös reflexiók • Polarizációs hatások • Nyalábosztó kocka • Kiegyenlített optikai úthosszak • Pontosabb gyártás és szerelés • „Polka dot” nyalábosztók

Többsugaras interferencia E0 sE0 E1=s2E0 rE0 • Fabry-Pérotinterferométer • Két nagypontosságú sík felület • Egymástól t távolságra, párhuzamosra állítva • A felületeken nagy reflexiójú réteg található • Tekintsük az első felületet elérő hullámfrontot: • A beeső hullám amplitúdója E0 • A visszavert hullám amplitúdója rE0 • Az áteresztett hullám amplitúdója: sE0 • Az abszorpciót elhanyagoljuk: s2+r2=1 • A beeső hullám többszörös visszaverődést szenved rsE0 r2sE0 E2=s2r2E0 r3sE0 r4sE0 E3=s2r4E0 r2n-2sE0 En=s2r2n-2E0 t

Az egyes hullám komponensek fázisai E1=s2E0 • Két egymás utáni komponens útkülönbsége: • D=2l-p • l = t / cosQ • p = 2 d sinQ =2(t tgQ )sinQ • D=2t cosQ • A fáziskülönbség: • d= 2pD/l = (2p/l ) 2t cosQ • Az eredő amplitúdó: • ET=E1+E2+E3+…+En= • ET=s2E0(1 + r2e-id+ r4e-i2d+…+r2n-2e-i(n-1)d) • Az 1/(1-x) = 1+x+x2+… sorfejtéssel: ET=s2E0 / (1- r2e-id) p l d q l rsE0 t

Az áteresztett intenzitás • Az intenzitás az amplitúdó alapján: • IT=(ET ET*)/2 = s4E02/2/(1+ r4 - 2r2cosd) • Behelyettesítve: • I0=E02/2 • R=r2, T=s4 valamint R=1-T • Az intenzitás: Az intenzitás a fázis (d) függvényében (t=1, Q=0°)

Vékonyrétegek • „Vékony” réteg • Vastagsága a fény hullámhossz nagyságrendjébe esik • Határfelületei párhuzamosak (konstans vastagság) • Hordozóra leválasztott egy vagy több különálló felület • Alkalmazások • Optikai vékonyrétegek • Mikroelektronika (vezetők, szigetelők, diffúzós gátak, mágneses területek stb.) • Speciális szenzorok • Felületkikészítés (korrózióvédelem, szilárdság, kopásállóság)

Reflexió az optikai felületeken • Egy dielektrikum felületén a visszaverődés a törésmutató különbség függvénye (merőleges beesés esetén): • Az amplitúdóra: r=(n0-n1)/(n0+n1) • Az intenzitásra: R=r2 • BK7 üveg esetén: • n=1.5168 • R=4.2 % felületenként! • Szilícium esetén: • n=3.5 • R=31 % felületenként! • Alkalmazzuk a Fabry-Perotinterferométernél alkalmazott technikát az áteresztés módosítására

Visszaverődés két felületen E0 s1E0 • Két felület : • Távolságuk: t • A törésmutatók: n0, n1, n2 • r1=-(n0-n1)/(n0+n1) • r2=(n1-n2)/(n1+n2) • A fáziseltolódás • d=(2pn1/l) 2 t cosQ • Az eredő amplitúdó: • ET=E1+E2+E3+…+En= • ET=s1s2E0(1+r1r2e-id+…+(r1r2) n-1e-i(n-1)d) • Az 1/(1-x) = 1+x+x2+… sorfejtéssel: ET=s1s2E0 / (1- r1r2 e-id) r1E0 E1=s1s2E0 r2s12E0 E2=s1s2r1r2E0 r1r22s12E0 E2=s1s2r12r22E0 t

Az áteresztett intenzitás • Az intenzitás az amplitúdó alapján: • IT=(ET ET*)/2 • Behelyettesítve: • I0=E02/2 • Az intenzitás: • Ha nincs elnyelés • A reflexióképesség R=1-T • Ahol T= IT/I0 • Hogyan lehet 0 reflexiót elérni? • Ha cos d = -1 • R = (r1+r2 )2 / (1+r1r2 )2

Negyedhullám rétegek • A cos d akkor -1 ha n1t = l /4 (negyed hullámhossznyi) • Ekkor a teljes reflexió: • A reflexió akkor 0: • Ha n1=(n0n2)1/2 mértani közép! • MgF2 n=1.384

Sokrétegű bevonatok számítása • A két felület analitikusan kezelhető, de mi van a többivel? • Többszörös visszaverődés • „Végtelen sorok végtelen sora” • 1937 Rouard: mátrix módszer • Rétegmátrix:

Sokrétegű bevonatok • Technológiai korlátok • A törésmutatók nem állandók • A számítások csak egy beesési szögre igazak • Az anyagok száma véges (csak bizonyos törésmutatók léteznek) • A rétegvastagság mérési bizonytalansága • Rétegtapadási problémák • Időigényes, drága folyamat • Manapság szinte tetszőleges spektrális karakterisztika megvalósítható • Sokféle réteganyag • Széles törésmutató választék • Optimalizációs programok • Akár 40-50 különböző réteg • Fejlett rétegezési technikák

Vékonyréteg szűrők • Sávszűrők • FWHM 5-100 nm • T>95% • Alul / felül áteresztő szűrők • Blokkolási tartomány • T<0.01% • Különböző technológiák kombinációja • Interferenciaszűrő 1 v. 2 oldalas • Fémréteg • Anyagában színezett üveg v. kristály

Vékonyréteg technológiák • Fizikai rétegleválasztás • Vákuumpárologtatás • A leggyakoribb módszer • Precíz, ellenőrzött rétegfelvitel • Porlasztás • Kiváló réteg stabilitás • Gyengébb ismétlőképesség • Lépései: • Forrásanyag gőzfázisba hozása • Szabad részecskék transzportja a hordozóig • Részecskék lecsapódása a hordozóra • Tisztítás • Por zsiradék mentesítés • Ultrahangos tisztítás • Kémiai oldószeres tisztítás • Környezetterhelés • Kémiai módszerek • Ezüstözés, fém oxidok • MolecularBeamEpitaxy • ChemicalVaporDeposition

Vékonyréteg gőzölés • Alacsony nyomású vákuum: p<10-5torr • Nagy szabad úthosszú részecskék • Mechanikus és diffúziós pumpák • A forrást felfűtik, míg elpárolog • Al, Ag, Au, SiO, SiO2, MgF2, Al2O3, TiO3, ZnSe, stb. • Csónakban, elektromos fűtés • Elektronnyalábbal • Kis energiájú részecskék • A lerakódás egyenletessége a távolságtól és a forrás geometriától függ • Bolygóműves mozgatások • Rétegvastagság mérés optikailag, vagy rezgő kvarccal

Ion porlasztás • Kisebb vákuum • Rövidebb szabad úthossz • Gázplazmát hozunk létre melyből az ionok a forrásba csapódnak • Az így erodált forrásból atomok, ionok lépnek ki és a hordozóra rakódnak • Az egyenletes anyagáram fenntartása a részecskék energiájának és impulzusának kézbentartásával • Rádiófrekvenciás vagy magnetronos porlasztás

Vákuum technológiák • Porlasztás • Kisebb vákuum, kis szabad úthossz, sok ütközés • Nagy energiájú részecskék, jobb tapadás • Sok abszorbeált gáz • Kisebb szemcseméret, sok kristályosodási irány • Rosszabb réteg jellemzők, gyengébb ismételhetőség • Vákuumgőzölés • Nagy vákuum, nagy szabad úthossz, kevés ütközés • Kis energiájú részecskék, gyengébb tapadás a hordozón • Kevés abszorbeált gáz • Nagyobb szemcseméret, kevés kristályosodási irány • Egyenletesebb, pontosabb rétegvastagság

Fotonika Vékonyrétegek - bevonatok