Optomechatronika II. Vékonyrétegek - bevonatok Dr. 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

Diffúz reflexiós tulajdonságok 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

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

Többsugaras interferencia sE0 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 rE0 E1=s2E0 rsE0 E2=s2r2E0 r2sE0 r3sE0 r4sE0 E3=s2r4E0 r2n-2sE0 En=s2r2n-2E0

Az egyes hullám komponensek fázisai t 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) E1=s2E0 p l d q l rsE0

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 Alkalmazások 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-Perot interferométernél alkalmazott technikát az áteresztés módosítására

Visszaverődés két felületen s1E0 E1=s1s2E0 r2s12E0 E2=s1s2r1r2E0 t r1E0 E0 E2=s1s2r12r22E0 r1r22s12E0 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)

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 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

Vékonyréteg szűrők Sávszűrők Alul / felül áteresztő szűrők 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 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 gőzölés 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

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 Vákuumgőzölés Porlasztás 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