FOTONIKAVÉKONYRÉTEGEK -

BEVONATOKDr. Kovács Gábor

BME Mechatronika Optika és Gépészeti Informatika 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

• 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

• Super black

• Vertical carbon nanotubes (R<0.045%)

• Maximális reflexió

• BaSO4 por

• PTFE (Teflon) por

• Spectralon festék

• Reflexiós etalonok

DIFFÚZ REFLEXIÓS TULAJDONSÁGOK

• 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

FÉMRÉTEGEK

• Egyszerű nyalábosztó

• Többszörös reflexiók

• Polarizációs hatások

• Nyalábosztó kocka

• Kiegyenlített optikai úthosszak

• Pontosabb gyártás és szerelés

• „Polka dot” nyalábosztók

NYALÁBOSZTÓK

• Fabry-Pérot interferométer

• 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

TÖBBSUGARAS INTERFERENCIAE0 sE0

E1=s2E0

rsE0

E2=s2r2E0

r2sE0

r3sE0

r4sE0

E3=s2r4E0

r2n-2sE0

En=s2r2n-2E0

t

rE0

• 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= 2 /pD l = (2 /p 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)

AZ EGYES HULLÁM KOMPONENSEK FÁZISAI

p

E1=s2E0

rsE0

t

l

l

qd

• Az intenzitás az amplitúdó alapján:

• IT=(ET ET*)/2 = s4E0

2/2/(1+ r4 - 2r2cosd)

• Behelyettesítve:

• I0=E02/2

• R=r2, T=s4 valamint R=1-T

• Az intenzitás:

AZ ÁTERESZTETT INTENZITÁS

2

20

)1()2/(sin4

1R

R

IIT

5 10 15 20 25 300

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

R=0.8R=0.6R=0.4R=0.2

Az intenzitás a fázis (d) függvényében(t=1, Q=0°)

• „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)

VÉKONYRÉTEGEK

• 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-Perot interferométernél alkalmazott technikát az áteresztés módosítására

REFLEXIÓ AZ OPTIKAI FELÜLETEKEN

• 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)

VISSZAVERŐDÉS KÉT FELÜLETEN

s1E

0

E1=s

1s2E0

r 2s 12E 0

E2=s

1s2r1r2E0

t

r 1E 0

E0

E2=s

1s2r1 2r22E

0

r 1r 22s 1

2E 0

• 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

AZ ÁTERESZTETT INTENZITÁS

cos21 2122

21

22

210

IIT

cos21

cos2

2122

21

2122

21

R

• 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

NEGYEDHULLÁM RÉTEGEK

2120

2021

nnn

nnnR

0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.750

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

Reflexió BK7-MgF2

0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.750

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

Reflexió BK7-MgF2

• A két felület analitikusan kezelhető, de mi van a többivel?

• Többszörös visszaverődés

• „Végtelen sorok végtelen sora”

• 1937 Rouard: mátrix módszer

• Rétegmátrix:

SOKRÉTEGŰ BEVONATOK SZÁMÍTÁSA

jjj

j

jj

j

nin

iM

cossin

sincos

jjjj tn cos2

2

b

aR

tk nn

n

b

a 1

1

121

0

0 MMM

• Manapság szinte tetszőleges spektrális karakterisztika megvalósítható

• Sokféle réteganyag

• Széles törésmutató választék

• Optimalizációs programok

• Akár 40-50 különböző réteg

• Fejlett rétegezési technikák

• 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

SOKRÉTEGŰ BEVONATOK

• 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 SZŰRŐK

• Tisztítás

• Por zsiradék mentesítés

• Ultrahangos tisztítás

• Kémiai oldószeres tisztítás

• Környezetterhelés

• Kémiai módszerek

• Ezüstözés, fém oxidok

• Molecular Beam Epitaxy

• Chemical Vapor Deposition

• 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

VÉKONYRÉTEG TECHNOLÓGIÁK

• Alacsony nyomású vákuum: p<10 -5 torr

• 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

VÉKONYRÉTEG GŐZÖLÉS

• 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

ION PORLASZTÁS

• 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

• 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

VÁKUUM TECHNOLÓGIÁK