Technologia elementów optycznych

Transkrypt

1 Technologia elementów optycznych dr inż. Michał Józwik pokój 507a Część 4 powłoki optyczne

2 Powłoki optyczne obróbka powierzchni elementów i podłoży polega na powlekaniu materiału w celu modyfikacji charakterystyk optycznych, fizycznych lub chemicznych właściwości optyczne charakteryzowane przez wielkości spektrofotometryczne będące funkcjami: długości fali kąta padania stanu polaryzacji zmian rozkładu kierunkowego promieniowania padającego, np. rozpraszaniem

3 Wielkości spektrofotometryczne Transmitancja spektralna τ(λ), stosunek spektralnej gęstości przepuszczonego strumienia świetlnego do gęstości promieniowania padającego Reflaktancja spektralna - ρ(λ), stosunek spektralnej gęstości odbitego strumienia promienistego lub świetlnego do odpowiedniego promieniowania padającego. Absorptanca spektralna - α(λ), stosunek spektralnej gęstości pochłoniętego strumienia promienistego lub świetlnego do odpowiedniego promieniowania padającego. Rozpraszanie spektralne zmiana rozkładu przestrzennego wiązki promieniowania, gdy jest ono odchylane lub rozpraszane w wielu kierunkach przez powierzchnię lub ośrodek, bez zmiany widma promieniowania.

4 Podział powłok ze względu na funkcje Funkcja Odbijania Przeciwodblaskowa Dzielenia Osłabiania Filtrowania Selekcji lub łączenia Polaryzowania Zmiana fazy Absorpcji Dodatkowa Określenie Powłoka zwiększająca reflaktancję powierzchni w zadanym przedziale długości fali Powłoka zmniejszająca reflaktancję powierzchni w zadanym przedziale długości fali i zwykle zwiększająca transmitancję Powłoka rozdzielająca strumień padający na dwie wiązki: transmitowaną i odbijaną, rozkład energii tych wiązek odtwarza rozkład energii wiązki padającej Powłoka zmniejszająca transmitancję, zasadniczo nieselektywnie, w zadanym przedziale długości fali Powłoka zmniejszająca transmitancję selektywnie Powłoka dzieląca padający strumień promieniowania na dwie lub więcej wiązek, z których każda zawiera ograniczony zakres widma i jest propagowana przez odbicie lub transmisję Powłoka nadająca wychodzącemu promieniowaniu elektromagnetycznemu określony stan polaryzacji, w zadanym przedziale długości fali Powłoka nadająca wychodzącemu promieniowaniu określoną fazę w stosunku do promieniowania padającego i/lub określoną różnicę faz w zadanym przedziale długości fali Powłoka absorbująca określoną część strumienia padającego w zadanym przedziale długości fali Powłoka nie mająca funkcji optycznych Zwierciadła Ograniczenie odbicia pasożytniczego Neutralne dzielniki wiązki Zwierciadła częściowe Filtry neutralne Filtry Zwierciadła dichroiczne Łączniki wiązek Polaryzatory Przykład zastosowania Powłoka dopasowująca fazę Powłoka opóźniająca fazę Okulary przeciwsłoneczne Pułapki światła Przewodnik elektryczny Zabezpieczenie mechaniczne lub chemiczne

5 Rodzaje powłok elementów optycznych odbijające (zwierciadlane) światłodzielące rozjaśniające (przeciwodblaskowe) filtrujące polaryzujące przeznaczone do wykonywania rysunków (np w fotolitografii) przeznaczone do uzyskiwania efektów optycznych wywołanych działaniem czynników zewnętrznych (np fotorefrakcyjne, fototropowe, fotoemisyjne, ciekłokrystaliczne) oporowo - grzejne korygujące kształt powierzchni optycznej (np. asferyzujące) ochronne, utwardzające antystatyczne

6 Podział powłok według właściwości materiałów izotropowe, dwójłomne monokrystaliczne, polikrystaliczne, amorficzne monolityczne, porowate, jednorodne lub gradientowe jedno lub wielowarstwowe o właściwościach trwałych lub relaksacyjne Materiały używane na powłoki: metale (zwierciadlane) dielektryki (interferencyjne) półprzewodniki i ich kombinacje

7 Materiały powłok optycznych Kriolit (Na 3 AlF 6 ) do budowy zwierciadeł interferencyjnych wielowarstwowych, mała wytrzymałość na ścieranie Fluorek magnezu (MgF 2 ) dobra przyczepność do szkła, duża odporność na kwasy, zasady i gorącą wodę; warstwy ochronne, przeciwodblaskowe i interferencyjne Dwutlenek krzemu (SiO 2 ) b. dobra przyczepność do podłoża szklanego, współczynnik załamania 1,45 1,48, do budowy powłok zwierciadlanych Siarczek cynku (ZnS) duży współczynnik załamania 2,3, do budowy warstw zwierciadeł interferencyjnych Selenek cynku (ZnSe) b. duży współczynnik załamania 2,6, dobra wytrzymałość na ścieranie, na wielowarstwowe zwierciadła laserowe Dwutlenek tytanu (TiO 2 ) wsp. załamania od 2,2 do 2,4, na wielowarstwowe zwierciadła laserowe Dwutlenek ceru (CeO 2 ) w zależności od temp. podłoża zmienia wsp. załamania od 2,1 do 2,3, odporny na zarysowania, ścieranie, ługi, kwasy i gorącą wodę Tlenek krzemu (SiO) gąbczasta budowa w warstwie, bardzo dobra przyczepność do podłoża szklanego lub kwarcowego, w zależności od parametrów naparowania zmienia współczynnik załamania od 1,48 do 1,9

8 Wymagania wobec powłok Właściwości optyczne charakterystyka spektralna przepuszczania i odbicia światła, absorpcja, rozproszenie, polaryzacja, refrakcja (dwójłomność), odporność na niszczące działanie światła laserowego, czystość optyczna, kształt powierzchni

9 Wymagania wobec powłok Właściwości mechaniczne odporność na ścieranie, przyczepność, twardość (odporność na zarysowanie), naprężenia, nieporowatość, mała chropowatość, Właściwości chemiczne odporność ma wilgoć (wilgotne gorąco, suche ciepło) działanie wody morskiej i mgły solnej, działanie rozpuszczalników, detergentów, kwasów, zasad : korozja kwasowa (siarkowy i azotowy), alkaliczna (wodorotlenek potasu), rozpuszczalniki (aceton, etanol), wrząca woda Właściwości termiczne Gorąco Zimno Powolne zmiany temperatury Szok termiczny Promieniowanie słoneczne Właściwości elektryczne przewodność, rezystywność, antystatyczność Porost pleśni rozpylenie zawiesiny z zarodnikami, 28 dni w temp 29 C i wilgotności 96 %

10 Warstwa przeciwodblaskowa bez warstwy z warstwą

11 Warstwa przeciwodblaskowa Kontrolowane zmniejszenie współczynnika odbicia w wybranych częściach widma zgodnie ze wzorami Fresnela, możliwe jest dobranie takiego współczynnika załamania światła warstwy powłoki, aby współczynnik odbicia był jak najmniejszy; przy naniesieniu warstwy powłoki o odpowiedniej grubości, promienie odbite od obu powierzchni granicznych warstwy wygaszą się na skutek interferencji. n s = n p Dla szkieł n p = , n s = Fluorek magnezu MgF 2, n s = 1.38 Kryolit 1.35 (miękki), ZnS 2.3 (miękki), SiO (twardy), TiO (twardy), ZrO (twardy)

12 Warstwa przeciwodblaskowa

13 Powłoki zwierciadlane Warstwa zabezpieczająca Aluminium Al Srebro Ag Złoto Au Chrom Cr

14 Powłoki zwierciadlane

15 Filtry interferencyjne Przepuszcza wybrane pasmo o zadanej szerokości spektralnej przy jednoczesnym odbijaniu lub pochłanianiu fal o długościach spoza tego zakresu. Podstawowe parametry: Długość fali maksymalnej przepuszczalności Szerokość pasma przepuszczanego Zakresy spektralne założonego tłumienia Wartość maksymalnej przepuszczalności

16 Metody otrzymywania powłok Subtraktywne (przez usuwanie materiału) Chemiczne (trawienie) Fizyczne (suche) trawienie jonowe Addytywne (przez dodawanie materiału) Chemiczne: osadzanie z roztworu warstwy metalicznej, dielektrycznej, organicznej: zanurzeniowe, na wirówce CVD przy ciśnieniu atmosferycznym i niskim, aktywowane plazmowo i fotonowo Fizyczne osadzanie próżniowe (naturalne i reaktywne) odparowanie i sublimacja osadzanie katodowe platerowanie jonowe polimeryzacja plazmowa Otrzymywanie powłok wewnątrz podłoża chemiczna wymiana jonów fizyczna implantacja jonów modyfikacja właściwości w polu wiązki elektronów, fotonów

17 Aparatura próżniowa

18 Proces fizycznego powlekania Dokładne oczyszczenie powierzchni elementów do powlekania Umieszczenie elementów w komorze próżniowej Wytworzenie próżni Włączenie prądu żarzenia grzejnika Wyparowanie substancji w tygla Kondensacja na powierzchniach znajdujących się na drodze promieniujących cząstek

19 Proces fizycznego powlekania Podłoże Uchwyt podłoża Materiał wyparowywany Generator prądu Grupa pomp

20 Komora próżniowa

21 Typy tygli

22 Aparatura

23 Napylanie katodowe Regulator przepływu Podłoże Target Wysokie napięcie Zawór Przyspieszanie jonów Ar+ w polu elektrycznym Wybijanie atomów z metalowej płyty (targetu) Osadzanie warstwy na elemencie Dobra kontrola grubości warstw od nm do µm Grupa pomp

24 Napylanie katodowe

25 Napylanie elektronowe Podłoże Materiał Żarnik Sterowanie Uchwyt podłoża Odchylające pole magnetyczne Anoda przyspieszająca Grupa pomp

26 Napylanie elektronowe

27 Osadzanie warstw wspomagane plazmą PECVD Regulacja przepływu Podłoże Wysokie napięcie Płyta grzejna Zawór Grupa pomp

28 Osadzanie warstw wspomagane plazmą PECVD CTM