Fizyka Cienkich Warstw

Transkrypt

1 Wydział Podstawowych Problemów Techniki Politechniki Wrocławskiej Dr inż. Tadeusz Wiktorczyk p.319 A-1 Fizyka Cienkich Warstw W-1

2 Fizyka Cienkich Warstw

3 Fizyka Cienkich Warstw Konsultacje: pok. 319A1; poniedziałek, środa Ćwiczenia Laboratoryjne - materiały na stronie: Wykład materiały dostępne w formie elektronicznej (PDF) (

4 Definicje: -Pokrycie o grubości 1nm-1mm (kilka mm) uzyskane na danym podłożu za pomocą różnych technik nanoszenia (metody fizyczne, chemiczne i cieplno-mechaniczne). -Pokrycie o grubości 1mm (kilka mm)-100mm uzyskane na danym podłożu za pomocą sitodruku (nałożenie i wypalanie specjalnych past, które tworzą warstwę)

5 Cienkie warstwy - trochę historii Rok Przediot odkrycia, osiągnięcie Kraj wynalazca ~3500p.n.e. Pokrywanie glazurą wyrobów glinianych Egipt ~1600p.n.e. ~100-80p.n.e Emaliowanie wyrobów szklanych i ceramicznych Wytwarzanie blachy stalowej powlekanej cyną Egipt, Syria Traktat Anaksylaosa dot. wytwarzania farb Saksonia

6 Rok Cienkie warstwy - trochę historii Przediot odkrycia, osiągnięcie Kraj, wynalazca 1852 Diodowe rozpylanie materiału w próżni Grove 1857 Naparowanie termiczne materału (metoda explodującego drutu) M.Faraday 1951 Naparowanie za pomocą wiązki elektronów L.Holland 1977 Metoda osadzania warstw atomowych T.Suntola, J. Antson Finlandia

7 Obszary zastosowań cienkich warstw 1. Przyrządy i instrumenty optyczne Urządzenia dla fotografii, kinematografii i urządzenia video Pokrycia antyrefleksyjne soczewek w kamerach i aparatach fotograficznych Zwierciadła półprzepuszczalne w kamerach, Filtry światła dla kamer, Zimne lustra dla projektorów

8 Obszary zastosowań cienkich warstw Instrumenty optyczne Dzielniki światła, Filtry interferencyjne, filtry o zmiennej długości fali, filtry wąskopasmowe, Zwierciadła i okienka laserowe,

9 Obszary zastosowań cienkich warstw Optyka okularowa Pokrycia cienkowarstwowe antyrefleksyjne i upiększające, Pokrycia zabezpieczające przed słońcem i fotochromowe, Pokrycia zabezpieczające w okularach do prac spawalniczych oraz przy laserach, Twarde pokrycia (zabezbieczenie przed zarysowaniem szkieł oftalmicznych) Powłoka antyrefleksyjna (Firma Zeiss, typ ET)

10 3. Urządzenia elektroniczne Sprzęt R-T-V, kontrolno-pomiarowy,komputery, urządzenia audio i video,... Ścieżki przewodzące, Cienkowarstwowe elementy bierne R,L,C, Elementy aktywne: diody i tranzystory cienkowarstwowe, w układach scalonych Warstwy izolujące i zabezpieczające w układach mikro- i nano-elektronicznych Procesory ATHLON na plytce krzemowej Wyświetlacze i displeje w sprzęcie elektronicznym Diody elektroluminescencyjne, diody laserowe Pokrycia warstwowe w monitorach i wyświetlaczach ciekłokrystalicznych - elektrody i ścieżki przewodzące metaliczne i przeźroczyste, Pokrycia antyrefleksyjne zwiększające kontrast dla

11 4. Narzędzia i części maszyn Noże, wiertła, frezy, łożyska Przeciwzużyciowe pokrycia warstwowe narzędzi zwiększające ich trwałość (można zwiększyć 5-krotnie trwałość narzędzi), Tzw. twarde pokrycia warstwowe ( hard coatings ) dla łożysk Części maszyn pracujące w ekstremalnych warunkach Pokrycia antykorozyjne (np. węgliki i azotki), Powłoki zabezpieczające dla łopatek turbin parowych, gazowych, wodnych, dysz silników rakietowych

12 Obszary zastosowań cienkich warstw 5. Wyroby jubilerskie i artystyczne Pokrycia dekoracyjne wyrobów powierzchnia błyszcząca lub matowa, Pokrycia barwiące powłokami cienkowarstwowymi różnych wyrobów, Pokrycia cienkowarstwowe interferencyjne, Barwiące pokrycia dekoracyjne szkła artystycznego

13 6. Inne zastosowania Budynki Antyrefleksyjne warstwy na szybach okien wystawowych sklepów, pokrycia warstwowe dla smart windows Pokrycia szyb okiennych zabezpieczające przed nasłonecznieniem pomieszczeń Zastosowania domowe Pokrycia warstwowe ścianek wewnątrz kuchni elektrycznych, mikrofalowych zwiększające ich efektywność, Pokrycia warstwowe odbijające ciepło dla okienek i wzierników w kuchenkach

14 Samochody Pokrycia odbijające dla lusterek samochodowych Pokrycia odporne na zarysowania dla plastykowych okien oraz reflektorów Cienkowarstwowe pokrycia szyb samochodu odbijające ciepło Cienkowarstwowe ścieżki oporowe do podgrzewania szyb i lusterek Bezpieczeństwo Przeźroczyste ścieżki przewodzące sygnalizujące włamanie Cienkowarstwowe pokrycia interferencyjne zabezpieczenia banknotów Czujniki i sygnalizatory gazów w pomieszczeniach

15 Podstawowe zastosowania w optyce Warstwy przeciwodblaskowe Przejście światła na granicy ośrodków: Można pokazać, że dla prostopadłego padania światła n0 R n0 Dla szkła ns=1,5 ( =550nm) mamy Dla krzemu, ns=3,6 (=5000nm) mamy n n Podłoże R [%] Kwarc topiony (n=1,467 λ=435,6nm) 3,58 Szkło kronowe (n=1,526 λ=435,6nm) 4,34 Szkło flintowe (n=1,774 λ=435,6nm) 7,79 Krzem (n=3,422 λ=5μm) 29,99 German (n=4,017 λ=5μm) 36,17 s s 2 1,5 1 R 1,5 1 3,6 1 R 3, ,5 2, ,6 4,6 0,04 4% 0, ,32 32% -Straty światła przy odbiciu są tym większe im większy współczynnik załamania ośrodka -Straty światła przy przejściu światła przez wiele elementów optycznych mogą być b. istotne

16 -W celu zminimalizowania strat przy odbiciu stosuje się pokrycia przeciwodblaskowe Podłoże Cienka warstwa Taka warstwa musi spełniać nast. warunki: gdzie m=0,1,2,3,... Zwykle m=0, czyli: n 1 1 n d n d n0 n s 2 m 1 4 4

17 Przykład: optyka okularowa Soczewki okularowe bez powłoki AR soczewki okularowe z powłoką AR

18 Dzielniki światła W praktyce w dowolny sposób można podzielić wiązkę światła np.: I I R T 1 1 I I R T Filtry dolno-przepustowe górno-przepustowe

19 Filtry interferencyjne metalowe dielektryczne

20 1) zwierciadła metalowe. Zwierciadła 2) zwierciadła dielektryczne. ZWIERCIADŁA DIELEKTRYCZNE Idea: cienka warstwa dielektryczna o wysokim współczynniku załamania naniesiona na podłoże o współczynniku załamania ns R max n n Przykłady: 1) ZnS na szkle: n1=2,35 ns=1,5...r=31% n n 0 0 n n s s 2 n 1 d dla 2) TiO2 na szkle: n1=2,60 ns=1,5...r=40% (2m 1) 4 Wyższe wartości współczynników odbicia (do R=99,9%) można uzyskać dla układów wielowarstwowych typu WNW, WNWNW,... N- niski współczynnik załamania W- wysoki współczynnik załamania m=0,1,2,3,... Uwaga: dla zwiercadeł dielektrycznych mamy (i) brak absorbcji (ii) R=do 99,9!!!

21 ZASTOSOWANIA CIENKICH WARSTW W MIKRO- I NANO-ELEKTRONICE Warstwy przewodzące Pola kontaktowe do przyłączania gniazd, mikrowyłączników, wyświetlaczy,... Ścieżki do podłączenia obwodów scalonych oraz elementów dyskretnych R,L,C... Okładki kondensatorów Uzwojenia cewek planarnych materiał na pola kontaktowe i ścieżk powinien charakteryzować się: Dobrą adhezją do podłoża Niską rezystywnością Dobrą podatnością na lutowan Ze względu na brak materiału spełniającego powyższe wymagania stosuje się pokrycia dwuwarstwowe: -warstwa 1 o dobrej adhezji do podłoża (np. NiCr-nichrom) -warstwa 2 o małej rezystywności i dobrej podatności na lutowanie (np. stop Au-Pd)

22 Elementy bierne R, L, C

23 Kondensatory cienkowarstwowe (np. pamięci typu DRAM*) Struktury typu MIS oraz typu MIM C( ) o '( ) Możliwości realizacji dużych pojemności: 1) Rozbudowa powierzchni S kondensatory typu CROWN s d kondensatory typu TRENCH *) DRAMDynamic random access memory MISMetal-insulator-semiconductor MIMMetal-insulator-metal

24 Elementy aktywne Tranzystory typu MOS* z warstwą o wysokim ε -Warstwa nisko-rezystywna -Bramka metaliczna -Bramka z tlenków o wysokiej przenikalności dielektrycznej Diody elektroluminescencyjne, laserowe *MOS- metal oxide semiconductor

25 Pokrycia przezroczyste, przewodzące dla wyświetlaczy ciekłokrystalicznych