Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Электрораспылительная Отложение равномерной толщины Ge

7.9K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/54379

⸱

19 августа 2016 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Materials Science and Engineering, Clemson University, 2Department of Materials Science and Engineering, Texas A&M University, 3Department of Electrical and Computer Engineering, Texas A&M University, 4College of Optics and Photonics, Center for Research and Education in Optics and Lasers (CREOL), University of Central Florida, 5Department of Materials Science and Engineering, Massachusetts Institute of Technology, 6Department of Mechanical Engineering, Virginia Polytechnic Institute, 7Microphotonics Center, Massachusetts Institute of Technology

В этой статье

Краткое содержание

Продемонстрирован метод осаждения халькогенидной пленки равномерной толщины на основе халькогенидного стекла с использованием компьютерного числового управления электрораспылением с одним соплом.

Аннотация

Решение на основе осаждения электрораспыление пленка, которая совместима с непрерывной обработки с рулона на рулон, применяется к халькогенидных стекол. Два халькогенидных композиции продемонстрированы: Ge 23 Sb 7 S 70 и As 40 S 60, которые оба были изучены для плоских среднего инфракрасного (среднего ИК) microphotonic устройств. При таком подходе, однородные пленки толщиной изготовляются за счет использования компьютера числовым программным управлением (ЧПУ) движения. Халькогенидной стекла (CNG) записывается поверх подложки с помощью одного сопла вдоль извилистого тракта. Пленки были подвергнуты серии термической обработки в пределах от 100 ° С до 200 ° С под вакуумом, чтобы отогнать остаточный растворитель и уплотнить пленок. На основе Фурье передачи преобразования инфракрасного (FTIR) спектроскопия и шероховатость поверхности измерения, были найдены как композиции, чтобы быть пригодным для изготовления плоских устройств, работающих в средней ИК-области. Остаточный растворительудаление было установлено, что намного быстрее , для S 60 пленки из кассеты 40 по сравнению с Ge 23 Sb 7 S 70. На основе преимуществ электрораспылением, прямая печать градиента прозрачного покрытия показатель преломления (GRIN) среднего ИК предусматривается, учитывая разность показателей преломления двух композиций в данном исследовании.

Введение

Халькогенидных стекол (CHGS) хорошо известны своей широкой инфракрасной передачей и аменабельности равномерной толщины, офсетного нанесения пленки 1-3. На кристалле волноводы, резонаторы и другие оптические компоненты затем могут быть сформированы из этой пленки с помощью методов фотолитографии, и затем последующее полимерное покрытие для изготовления microphotonic устройств 4-5. Одним из ключевых приложений , которые мы стремимся развивать это небольшие, недорогие, высокочувствительные устройства химического зондирования , работающих в среднем ИК диапазоне, где многие органические виды имеют оптические сигнатуры 6. Microphotonic химические датчики могут быть развернуты в жестких условиях эксплуатации, например, вблизи ядерных реакторов, где воздействие радиации (гамма и альфа), вероятно. Поэтому обширное исследование модификации оптических свойств электрораспылением материалов CHG является критическим и будет сообщено в другой статье. В этой статье, электрораспыление осаждение пленки CHGS проявляется, так как это метод только недавноприменительно к CHGS 7.

Существующие методы осаждения пленки можно разделить на два класса: способов осаждения из паровой фазы, такие как термическое испарение объемных CHG мишеней, и нахождение решений, полученных методами, такими как спин-покрытие раствор CHG, растворенный в растворителе амина. Как правило, раствор полученные пленки имеют тенденцию приводить к более высокой потере светового сигнала из - за наличия остаточного растворителя в матрице пленки 3, но уникальное преимущество решений , полученных методами над осаждения из паровой фазы является простое включение наночастиц (например, квантовые точки или квантовые точки) перед спин-покрытие 8-10. Тем не менее, агрегация наночастиц наблюдалось в пленках спиновых покрытием 10. Кроме того, в то время как осаждение из паровой фазы и спин-покрытия подходы хорошо подходят для формирования однородной толщины, одеяло фильмов, они не поддаются хорошо локализованным отложениями или сконструированных неодинаковой толщины пленок. Furthermore, расширение масштабов выделения покрытия затруднено из - за высокого отходов материала вследствие стекания от подложки, а также потому , что он не является непрерывным процессом 11.

Для того чтобы преодолеть некоторые из недостатков современных методов осаждения пленок CHG, мы исследовали применение электрораспылением к системе CHG материалов. В этом процессе, распыляемого аэрозоля может быть образован из раствора CHG путем применения электрического поля высокого напряжения 7. Потому что это непрерывный процесс, который совместим с обработкой с рулона на рулон, вблизи использование материала 100% возможно, что является преимуществом над спин-покрытием. Кроме того, мы предположили, что выделение отдельных квантовых точек в каплях отдельных ChG аэрозолей может привести к лучшей дисперсии квантовых точек, из-за заряженные капли будучи пространственно самодиспергирующийся путем кулоновского отталкивания, в сочетании с более быстрой кинетики сушки капель площади с высокой площадью поверхности которые сводят к минимуму движение квантовых точек из-заповышение вязкости капель в то время как в полете 7, 12. И, наконец, локализованное отложение является преимуществом , которое может быть использовано для изготовления Гринь покрытий. Исследования обоих QD инкорпорации и изготовление оскал Chg с электрораспылением В настоящее время проводятся которые должны быть представлены в следующей статье.

В данной публикации, гибкость электрораспылением демонстрируется как локализованных осаждении и однородных пленок толщиной. Для исследования пригодности пленок для плоских фотонных приложений, преобразование Фурье передачи инфракрасного (ИК) спектроскопии, качество поверхности, толщины и используются рефракционные измерения индекса.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Внимание: Пожалуйста, обратитесь к паспорта безопасности материалов (MSDS) при работе с этими химическими веществами, а также быть в курсе других опасностей, таких как высокое напряжение, механическое движение системы осаждения и высоких температур конфорки и печей используется.

Примечание: Начните этот протокол с объемной халькогенидном стекла, который получают хорошо известными методами расплава закалочных 2.

1. Приготовление растворов CHG

Примечание: Два решения используются в этом исследовании, Ge 23 Sb 7 S 70 и S до 40 60, и растворяли в этаноламина при концентрации 0,05 г / мл. Получение двух растворов идентичны. Выполните все действия, описанные в этом разделе внутри вытяжного шкафа.

  1. Измельчите насыпную стекла в мелкий порошок с помощью ступки и пестика.
  2. Смешать 0,25 г стекла с 5 мл этаноламина растворителя.
  3. Разрешить 1-2 дней для полного растворениястакан. Ускорить растворение путем нагревания раствора на плитке с температурой поверхности ~ 50-75 ° С. Увеличение скорости растворения путем перемешивания смеси в, например, с помощью магнитной мешалки.
  4. Фильтр раствора во флакон с 0,45 мкм политетрафторэтилена (PTFE) фильтр для удаления каких-либо больших выпадает в осадок из раствора.

2. Настройка процесса осаждения

Примечание: Система электрораспылением осаждения схематически изображена на фиг.1 , в этом способе 50 мкл стеклянный шприц с тефлоновым наконечником плунжера используется.. Шприц представляет собой съемную стиль иглы с коническим наконечником, 22 калибра наружный диаметр иглы (0,72 мм внешний диаметр, 0,17 мм внутренний диаметр), и соединен с вертикально ориентированным шприцевой насос электрораспылением системы. Электрораспылением система подвергается воздействию окружающей атмосферы в этих начальных экспериментах, хотя система настройки внутри перчаточной камеры. Система должна быть таковойт-в таком месте, где он изолируется от пользователя, например, в вытяжном шкафу.

  1. Поместите конец иглы в раствор CHG. Draw раствор в шприц, установив шприцевой насос в режиме экстракта с низкой скоростью, например, 150 мкл / ч, чтобы предотвратить образование пузырьков.
  2. Установите рабочее расстояние (10 мм в данном случае) между концом сопла и в верхней части кремниевой подложки с использованием ЧПУ в режиме ручного управления движением. Поместите кремниевую подложку, которая нелегированных и имеет удельное сопротивление 10000 Ом · см, на алюминиевой пластине, подключенной к возвращению заземления источника питания.
  3. Дайте небольшой объем жидкости для покрытия наружной поверхности сопла, освобождаясь некоторое количество жидкости из шприца с использованием шприцевого насоса. Включите конфорку на при температуре поверхности примерно 75-100 ° С. Подождите, пока ~ 2 часа, чтобы дать пленку стекла, чтобы высохнуть на поверхности сопла. Это покрытие способствует стабильности спрея.

3. Электрораспылительная Отложениеиз CHG пленок

  1. Подключение постоянного тока (DC) источника питания к шприцу сопло с электрическим зажимом.
  2. Установить расход при 10 мкл / ч, и настроиться напряжения постоянного тока для формирования стабильного конуса Тейлора (~ 4 кВ на 10 мм рабочее расстояние). Просмотр спрей с камерой высокого увеличения.
  3. Начать движение с ЧПУ распыляемого над подложкой для осаждения пленки, как только спрей стабилен.
    1. Используйте путь змеиную для равномерной толщины, или одномерным (1-D) проходит для линейного профиля толщины.
    2. Использование проходит на расстоянии более, чем ширина подложки, таким образом, что распылительные движется полностью от субстрата перед внесением следующего прохода. Это делается для того, что скорость потока жидкости совпадает в каждой точке на подложке.
    3. Управление ЧПУ с использованием программного обеспечения LinuxCNC. Для примера, используют дополнительный G-код для извилистому тракту с использованием 0,5 мм смещение между проходами, скоростью 20 мм / мин, и длиной 30 мм из проходов. На рисунке 1 показывает схематический вид пленки, изготовленной с извилистого тракта, а также определяет систему координат.
  4. Тема осажденной пленки к серии термических обработок в вакууме в течение 1 ч каждый при 100, 125, 150 и 175 ° C, и 16 ч при 200 ° С. Оптимизация параметров термообработки представлены в разделе репрезентативные результаты этой статьи.

4. Определение характеристик CHG пленок

  1. Характеристика удаления остаточного растворителя
    1. Возьмите спектр передачи FTIR периодически на протяжении условиях отжига, измерения в том же месте на образце каждый раз. Нарисуйте контур подложки на стадии образца, и поместите его в пределах этого контура каждый раз, когда измерение берется.
      1. В программном обеспечении ИК - Фурье, нажмите "Эксперимент Setup" и тип числа сканирований как 64. Нажмите на вкладку "скамейка" и введите в диапазоне сканирования в 7000 см -1 до 500 см -1. Возьмите фоновое сканирование с помощью только на стадии образца в приборе, нажав на "Collect фона." Затем поместите образец на сцене, и нажмите на кнопку "Collect Sample", чтобы взять спектр образца.
    2. Для отслеживания удаления растворителя, оценить размер органических абсорбционных в пленочную основу. В программном обеспечении ИК - Фурье, нарисуйте базовую линию в спектральном диапазоне интереса, примерно 2,300-3,600 см -1. Программа вычисляет площадь под спектром пропускания образца, по отношению к базовой линии, указанного пользователем.
  2. Измерение толщины пленки
    1. Царапины фильм с помощью пинцета кончику, пока темный субстрат не станет видимым среди светлого цвета пленки, которая обычно происходит в одном царапать движения с легким нажимом. Удалите мусор, вызванные царапать сжатым азотом.
      1. Измерить толщину покровных пленок с использованием контактного профилометрадля определения высоты шага от пленки к подложке. Открыть "Настройка измерений" и введите в скорости сканирования 0,1 мм / сек, а длина сканирования 500 мкм.
      2. Поместите образец на этапе обнаружения царапину и вращением образца таким образом, чтобы царапать ориентируют в направлении слева направо. Переместить сцену таким образом, что перекрестие чуть ниже нуля, и начать сканирование поверхности, нажав кнопку "Измерение".
      3. После завершения сканирования, перетащите R и M курсоры так, что они оба на поверхности пленки, и нажмите кнопку "Level двух точечных линейных", чтобы выровнять профиль поверхности. Переместить один курсор к нижней части нуля, и запишите расстояние между каждой позиции курсора в у-размерности. Измерение толщины в нескольких местах, чтобы получить среднюю толщину, и дисперсию в данных.
    2. Определить профили толщины неравномерных пленок толщиной путем сканирования профилометра по всей пленке (перпендикулярной к 1-Д Движение используется для осаждения пленки), и использовать этот поверхностный профиль, чтобы создать график толщины пленки против позиции.
      1. Сканирование по всей пленке, введя соответствующую длину сканирования больше, чем ширина пленки, как правило, 10-20 мм, в "измерительной установки." Поместите перекрестие на немелованной подложке на одной стороне пленки, и нажмите кнопку "Измерение", что позволяет профилометра, чтобы выполнить сканирование на непокрытой подложки на другой стороне пленки. Щелкните правой кнопкой мыши на профиле поверхности и экспорта в виде файла .csv.
      2. В качестве альтернативы, если субстрат не достаточно плоской, чтобы получить достоверные данные по толщине, поцарапать пленку вниз к подложке с приблизительно 1 мм между царапинами и профилометре развертки по всей пленке. Запишите толщину и горизонтальное положение на каждом пустом месте, и создать график толщины пленки по сравнению с положением из этих точек данных.
  3. Измерение шероховатости поверхности с белого света интерферометра13. Отрегулируйте фокусировку и этап наклона для создания интерференционных полос на весь район измерения, что в данном случае 414 мкм х 414 мкм с использованием цели 5x. Возьмите пять измерений по всей равномерной толщины пленки, чтобы определить среднюю шероховатость и дисперсию данных.
  4. Измерение показателя преломления с эллипсометром 14 в диапазоне 600-1,700 нм. В этом случае используйте угол падения 60 °, и фокусировки луча до размера пятна 35 мкм.
    1. Произведите измерение на непокрытую подложку, подгонки данных для определения толщины нативной оксидного слоя. Используйте эту информацию для моделирования образца в виде системы из трех слоев: Si + вафлю родной оксид + осажденной пленки. Возьмем восемь измерений в различных местах на образце, чтобы определить средний показатель преломления и дисперсии, в то время как с помощью модели Коши, чтобы соответствовать данным.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Схематическое представление извилистого тракта , используемого для получения однородных пленок толщины с одной электрораспылением сопла показан на рисунке 2. На фиг.3 показан пример передачи FTIR спектр частично отвержденной As 40 S 60 пленка , изготовленная с змеиным движением брызг, а также спектра чистого этаноламина растворителя. Из информации , которую можно получить из спектров ИК - Фурье такой , как показано на рисунк...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

В начале однородной толщины пленки, осажденной при змеевидной движения распылительного относительно подложки, профиль толщины пленки возрастает. После того, как расстояние, проходимое в у-направлении превышает диаметр спрея (по прибытии в подложке), скорость потока становится приблизительно равен для каждой точки на подложке, а толщина однородность достигается. Для определения соответствующих параметров осаждения равномерной толщины пленки electrosprayed, теоретической толщины пленки, T, используется. Это дается уравнен...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Финансирование этой работы было предоставлено контрактами Агентства по уменьшению угрозы Министерства обороны США HDTRA1-10-1-0073: HDTRA1-13-1-0001.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
ЭтаноламинSigma-Aldrich411000-100ML99,5% чистота
Si waferUniversity Wafer1708Двухсторонний полированный, нелегированный
ШприцSigma-Aldrich20788Hamilton 700 серия, объем 50 микролитров
Шприцевой насосChemyxNanojet
Фрезерный станок с ЧПУMIB instruments3020
Блок питанияAcopianP015HP4AC-DC, 15 кВ, 4 мА

Ссылки

  1. Novak, J., et al. Evolution of the structure and properties of solution-based Ge23Sb7S70 thin films during heat treatment. Mat. Res. Bull. 48, 1250-1255 (2013).
  2. Musgraves, J. D., et al. Comparison of the optical, thermal and structural properties of Ge-Sb-S thin films deposited using thermal evaporation and pulsed laser deposition techniques. Acta Materiala. 59, 5032-5039 (2011).
  3. Zha, Y., Waldmann, M., Arnold, C. B. A review on solution processing of chalcogenide glasses for optical components. Opt. Mat. Exp. 3 (9), 1259-1272 (2013).
  4. Chiles, J., et al. Low-loss, submicron chalcogenide integrated photonics with chlorine plasma etching. Appl. Phys. Lett. 106, 11110(2015).
  5. Hu, J., et al. Demonstration of chalcogenide glass racetrack microresonators. Opt. Lett. 38 (8), 761-763 (2008).
  6. Singh, V., et al. Mid-infrared materials and devices on a Si platform for optical sensing. Sci. Technol. Adv. Mater. 15, 014603(2014).
  7. Novak, S., Johnston, D. E., Li, C., Deng, W., Richardson, K. Deposition of Ge23Sb7S70 chalcogenide glass films by electrospray. Thin Solid Films. 588, 56-60 (2015).
  8. Kovalenko, M. V., Schaller, R. D., Jarzab, D., Loi, M. A., Talapin, D. V. Inorganically functionalized PbS-CdS colloidal nanocrystals: integration into amorphous chalcogenide glass and luminescent properties. J. Am. Chem. Soc. 134, 2457-2460 (2012).
  9. Novak, S., et al. Incorporation of luminescent CdSe/ZnS core-shell quantum dots and PbS quantum dots into solution-derived chalcogenide glass films. Opt. Mat. Exp. 3 (6), 729-738 (2013).
  10. Lu, C., Almeida, J. M. P., Yao, N., Arnold, C. Fabrication of uniformly dispersed nanoparticle-doped chalcogenide glass. Appl. Phys. Lett. 105, 261906(2014).
  11. Zhao, X. -Y., et al. Enhancement of the performance of organic solar cells by electrospray deposition with optimal solvent system. Sol. Energ. Mat. Sol. C. 121, 119-125 (2014).
  12. Novak, S. Electrospray deposition of chalcogenide glass films for gradient refractive index and quantum dot incorporation [dissertation]. , Clemson University. (2015).
  13. Tolansky, S. New contributions to interferometry, with applications to crystal studies. J. Sci. Instrum. 22 (9), 161-167 (1945).
  14. Archer, R. J. Determination of the properties of films on silicon by the method of ellipsometry. J. Opt. Soc. Am. 52 (9), 970-977 (1962).
  15. Hu, J., et al. Optical loss reduction in high-index-contrast chalcogenide glass waveguides via thermal reflow. Opt. Exp. 18 (2), 1469-1478 (2010).
  16. Hu, J., et al. Exploration of waveguide fabrications from thermally evaporated Ge-Sb-S glass films. Opt. Mater. 30, 1560-1566 (2008).
  17. Song, S., Dua, J., Arnold, C. B. Influence of annealing conditions on the optical and structural properties of spin-coated As2S3 chalcogenide glass thin films. Opt. Exp. 18 (6), 5472-5480 (2010).
  18. Deng, W., Klemic, J. F., Li, X., Reed, M. A., Gomez, A. Increase of electrospray throughput using multiplexed microfabricated sources for the scalable generation of monodisperse droplets. J. Aerosol. Sci. 37 (6), 696-714 (2006).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

ЧПУ-управление движениемИК-фурье-спектроскопияизмерение шероховатости поверхностивакуумная термообработкапрофилирование показателя преломленияфотоника среднего инфракрасного диапазонапленки однородной толщиныградиентный показатель преломления
Электрораспылительная Отложение равномерной толщины Ge
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.