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

Методическая статья

Изготовление ультра-тонкий цветной фильмов с сильно поглощающих средств массовой информации с использованием угла наклона осаждения

7.9K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/56383

⸱

29 августа 2017 г.

 ,  ,  , 
1School of Electrical Engineering and Computer Science, Gwangju Institute of Science and Technology, 2Department of Robotics Engineering, Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology

В этой статье

Краткое содержание

Мы представляем подробный метод для изготовления ультра-тонкий цветной пленки с улучшенными характеристиками для оптических покрытий. Технология нанесения косым углом, с помощью электронного луча испарителя позволяет перестройки улучшение цвета и чистоты. Готовых фильмов Ge и Au на подложках Si были проанализированы измерения коэффициента отражения и преобразования цветовой информации.

Аннотация

Ультра-тонкопленочных структур были изучены широко для использования в качестве оптических покрытий, но производительность и изготовление проблемы сохраняются.  Мы представляем расширенный метод для изготовления ультра-тонкий цветной пленки с улучшенными характеристиками. Предлагаемый процесс устраняет несколько проблем изготовления, включая обработку большой площади. В частности Протокол описывает процесс для изготовления ультра-тонкий цветной пленки с помощью испарителя пучка электронов для осаждения угол наклона германий (Ge) и золота (Au) на субстратов кремния (Si).  Фильм пористость, производимые осаждения угол наклона вызывает изменения цвета в ультра-тонкой пленки. Степень изменения цвета зависит от таких факторов, как осаждение угол и пленки толщиной. Изготовлены образцы ультра-тонкий цветной пленки, показали улучшение цвета перестройки и цвет чистоты. Кроме того измеренной отражения готовых образцов был преобразован в хроматической значения и проанализированы с точки зрения цвета. Ожидается, что наши ультра-тонкой пленки, фабрикуют метод использоваться для различных приложений ультра-тонкой пленки как гибкие цвет электродов, тонкопленочных солнечных батарей и светофильтры. Кроме того здесь процесс для анализа цвета изготовлены образцы широко полезно для изучения различных структур color.

Введение

В целом производительность тонкопленочных оптических покрытий на основе типа оптических помех, которые они производят, например высоким отражением или передачи. В диэлектрических тонких пленок интерференция можно получить просто путем удовлетворения условий, таких как квартал волны толщина (λ/4Н). Вмешательство принципы давно используется в различных оптических приложений, таких как Интерферометры Фабри-Перо и распределенных Брэгг отражатели1,2. В последние годы тонкопленочных структур с использованием высоко впитывающим материалом, например, металлов и полупроводников были широко изучены3,4,5,6. Сильный интерференция может быть получено тонкопленочные покрытие абсорбирующий полупроводниковых материалов на металлизированные, которая производит изменения нетривиальных фазы в отраженных волн. Этот тип структуры позволяет ультра-тонких покрытий, которые значительно тоньше, чем диэлектрической тонкопленочных покрытий.

Недавно, мы изучали пути улучшения цвета перестройки и чистоту цвета высоко абсорбирующий тонких пленок с помощью пористость7. Контролируя пористость хранение фильма, эффективный преломления среды тонкопленочных могут быть изменены8. Это изменение в эффективной преломления позволяет оптических характеристик необходимо улучшить. Исходя из этого, мы разработали ультра-тонкий цветной пленки с различной толщины и пористости путем вычисления с использованием строгий спаренных волновой анализ (RCWA)9. Наш дизайн представляет цветов с различными фильм толщины на каждом пористость7.

Мы используем простой метод, угол наклона осаждения, контролировать пористость высоко абсорбирующий тонкопленочных покрытий. Угол наклона осаждения техники в основном сочетает в себе типичный осаждения системы, например электронно пучка испарителя или тепловой испарителя, с наклонной субстрата10. Косым углом падающий поток создает атомной слежка, который производит областей, что поток пара не может достичь непосредственно11. Угол наклона осаждения техника широко используется в различных тонкопленочных покрытий приложений12,,1314.

В этой работе мы подробно процессов для изготовления ультра-тонкий цветной пленки по косой осаждения, с помощью испарителя пучка электронов. Кроме того дополнительные методы для обработки больших площадей представляются отдельно. Помимо шагов процесса подробно описаны некоторые заметки, которые должны быть приняты во внимание в процессе изготовления.

Мы также обзор процессов для измерения коэффициента отражения готовых образцов и преобразования цветовой информации для анализа, так что они могут быть выражены в системе координат цвета и RGB значения15. Кроме того обсуждаются некоторые вопросы для рассмотрения в процессе изготовления ультратонких цвета фильмов.

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

Протокол

Предупреждение

: некоторые химикаты (то есть, буферизации оксид etchant, изопропиловый спирт и т.д.), используемые в настоящем Протоколе может быть опасным для здоровья. Пожалуйста, проконсультируйтесь с все соответствующие листы данных безопасности материалов, прежде чем любой пробоподготовки занимает место. Использовать соответствующие средства индивидуальной защиты (например, лаборатории пальто, защитные очки, перчатки и т.д.) и инженерных элементов управления (например, влажные станции, дыма капот и т.д.) при обработке реактивов и растворителей.

1. подготовка субстрата Si

  1. с использованием алмазный резец, нарезать 2 см x 2 см пластины кремния (Si) 4-дюймовый размер квадратов. Чтобы сделать цветными образцами, субстрат обычно режут 2 см x 2 см, но может быть больше, в зависимости от размера держателя образца, используемых для угла наклона осаждения.
  2. Для удаления собственного оксида с помощью ковша политетрафторэтилена (ПТФЭ), окунуть рассеченного Si субстратов в буферизации оксид etchant (BOE) для 3 s. предупреждение: пожалуйста, носите надлежащей защиты безопасности.
  3. Очистить рассеченного Si субстратов последовательно в ацетоне, изопропиловый спирт (IPA) и деионизированную воду (ди) для 3 s каждый.
    1. С помощью PTFE очистки джиг, sonicate рассеченного Si субстратов с ацетоном в ультразвуковой ванне на 3 мин на частоте 35 kHz.
    2. Для удаления ацетона, промойте рассеченного Si субстратов с IPA.
    3. В качестве последнего шага очистки промойте рассеченного субстратов Си Ди водой.
  4. Для удаления влаги, сухой чистой подложки с ружьем удар азота, удерживая его с щипцами.

2. Осаждения отражателя Au

  1. с помощью щипцов и углерода ленты, исправить уборка Si субстратов на держатель плоского образца и установите держатель в камере испарителя пучка электронов с Ti и Au источниками.
  2. Покинуть камеру за 1 ч до достижения высокого вакуума. Базовый давление вакуумной камеры должно быть 4 x 10 -6 Торр.
  3. Депозит слой Ti как адгезионный слой толщиной 10 нанометр с 5-7% электрона брус мощность контролируемых в ручном режиме при напряжении постоянного тока 7,5 кв, который дает скорость осаждения 1 Å / сек
    Примечание: Cr слой той же толщины, вместо слой Ti, могут быть зачислены как адгезионный слой.
  4. Депозит Au слой как отражение слой толщиной 100 Нм с 13-15% электрона брус мощность контролируемых в ручном режиме при напряжении постоянного тока 7,5 кв, который дает скорость осаждения 2 Å / сек
    Примечание: Толщина слоя отражения АС может быть больше чем 100 Нм. Толщиной 100 Нм осаждается здесь чтобы сделать слой отражения тонкие, как возможно при сохранении оптические свойства АС.
  5. После Au слоевого осаждения, вентиляционные камеры и взять образцы. Они должны быть перезагружены с наклонных держатель для осаждения косым углом.

3. Подготовка держателя образца Inclined для осаждения угол наклона

Примечание: есть несколько методов, которые могут быть использованы для наклонного осаждения, такие, как по оси z вращающейся патрон 16, но это требует модификация оборудования и фильмы могут только быть сданы на хранение в один угол одновременно. Чтобы эффективно наблюдать изменения в цвете, производимых различными осаждения углов, мы использовали держатели образца, которые склонны образцы под разными углами. Для точности держателя образца склонны может производиться с использованием оборудования обработки металла. Однако, в этой статье, мы представляем простой метод, который можно легко проследить.

  1. Подготовить металлическая пластина легко гибкие металлические например алюминия.
  2. Металлические плита нарезать три 2 x 5 см.
  3. Fix металлической части на пол вместе с транспортир, удерживая короткой стороне и согнуть металла на желаемый осаждения угол (т.е., 30 °, 45 ° и 70 °).
  4. Придают гнутые металлические части держателя образца 4 дюйма, с помощью углерода ленты.

4. Угол наклона осаждения Ge слой

Примечание: В этом разделе, относятся к схематических представлений в Рисунок 1 образцов на хранение на наклонные держатели и пленки пористые Ge, после наклонный угол осаждения.

  1. Соответственно исправить четырех образцов Au на хранение углерода лентой держателю наклонных образца под углом 0°, 30°, 45° и 70°,.
  2. Загрузить образцы Au хранение на держателе наклонных образца в испаритель пучка электронов с источником Ge для угла наклона осаждения.
  3. Покинуть камеру за 1 ч до достижения высокого вакуума. Базовый давление вакуумной камеры должно быть 4 x 10 -6 Торр.
  4. Депозит Ge слой как слой окраски с 6-8% Мощность пучка электронов, контролируемых в ручном режиме при напряжении постоянного тока 7,5 кв, который дает скорость осаждения 1 Е/сек. Осаждения толщины слоя Ge на четырех образцах, 10 Нм, 15 Нм, 20 Нм и 25 Нм, соответственно.
    Примечание: Осаждение толщины 10 Нм, 15 Нм, 20 Нм и 25 Нм были отобраны для облегчения сравнения изменения цвета для каждого угла осаждения. Другой угол и толщина (5-60 Нм) могут быть выбраны для достижения определенного цвета.
  5. После Ge слоевого осаждения, вентиляционные камеры и взять образцы.

5. Угол наклона процесса осаждения для больших площадей

Примечание: Если размер образца, используемого для осаждения угол наклона мал, она может быть изготовлена процессом, подробно описанные в шаге 4. Однако если большой размер образца, чтобы быть сфабрикованы, она становится трудно поддерживать единообразие фильм из-за различия в испарение поток вдоль оси z 16. Таким образом, для изготовления больших образцов и добиться однородного цвета требуется отдельный дополнительный процесс, шаг 5,.

  1. На 2 дюйма пластин, после нанесения слоя Au на большой выборки на шаге 2, исправить Au хранение большой образец для держателя образца наклонных 45°.
    Примечание: Поскольку наших наклонных образца держатель предназначен для малых выборок, Загрузка больших образцов на всех углов (то есть, 0 °, 30 °, 45 ° и 70 °) создаст помех между выборками. Таким образом, косвенно внести большого размера образцов под различными углами в одном процессе, необходимо иметь держатель наклонных образца, подходит для большого размера образцов.
  2. Загрузить Au хранение большой образец на держателе наклонных образца в испаритель пучка электронов с источником Ge для угла наклона осаждения.
    Примечание: При загрузке образца, второй слой осаждения должны быть сданы на хранение в том же направлении, как первый осаждения, поэтому обратите внимание на направление загруженного образца. Для удобства, рекомендуется, что держатель образца загружается с видом на передней камеры.
  3. Покинуть камеру за 1 ч до достигать высокого вакуума. Базовый давление вакуумной камеры должно быть 4 x 10 -6 Торр.
  4. Депозит Ge слой как слой окраски осаждения толщиной 10 Нм, которая составляет половину от целевого толщина 20 Нм, с 6-8% Мощность пучка электронов, контролируемых в ручном режиме при напряжении постоянного тока 7,5 кв, который дает скорость осаждения 1 Å / сек
  5. После завершения нанесение первого слоя Ge, вентиляционные камеры и вывезти образца, потому что образец должен быть перемещен и перезагрузка.
  6. Исправить для держателя наклонных образца образца в позицию, которая вверх ногами в отношении позиции первого осаждения.
  7. Загрузить образец на держателе наклонных образца с источником Ge, так что владелец сталкивается в том же направлении, как первый осаждения.
  8. Покинуть камеру за 1 ч до достижения высокого вакуума. Базовый давление вакуумной камеры должно быть 4 x 10 -6 Торр.
  9. Депозит Ge слой как слой окраски осаждения толщиной 10 Нм, которая составляет половину от целевого толщина 20 Нм, с 6-8% Мощность пучка электронов, контролируемых в ручном режиме при напряжении постоянного тока 7,5 кв, который дает скорость осаждения 1 Å / сек
  10. После Ge слоевого осаждения, вентиляционные камеры и вывезти образца.

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

Результаты

Рисунок 2a показывает изображения 2 см x 2 см готовых образцов. Образцы были сфабрикованы, что фильмы различной толщины (т.е., 10 Нм, 15 Нм, 20 Нм и 25 Нм) и сданы под разными углами (то есть, 0 °, 30 °, 45 ° и 70 °). Цвет изменения хранение фильмов в зависимости от сочетания толщины образцов и осаждения угол. Изменения в цвет в результате изменений в пористость фильма. В зависимости от угла осаждения наклонных массивы индивидуальных nano столбцы создаются на подложке, как ...

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

Обсуждение

В обычных тонкопленочных покрытий для окраски3,4,5,6цвет можно управлять путем изменения различных материалов и регулируя толщину. Выбор материалов с различными показателями преломления ограничен для настройки различных цветов. Чтобы ослабить это ограничение, мы использовали угол наклона осаждение тонкопленочных цвет покрытия. В зависимости от угла осаждения пористость Ge, слой заменяется атомн...

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

Раскрытие информации

Авторы не имеют ничего сообщать.

Благодарности

Это исследование было поддержано беспилотных транспортных средств расширенный основной технологии программа исследований и разработок через беспилотный автомобиль передовых исследований центр (UVARC) финансируется министерством науки, ИКТ и будущего планирования, Республика Корея ( 2016M1B3A1A01937575)

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

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
  KVE-2004LКорейский вакуум Тек.Электронно-лучевая система испарителя
Cary 500Varian, СШАУФ-Виз-БИК спектрофотометр
T1-H-10ElmaУльтразвуковая ванна
HSD150-03PMisung Scientific Co., LtdГорячая пластина
Изопропиловый спирт (IPA)OCI Company Ltd.Изопропиловый спирт (IPA)
Буферный оксид травление 6:1AvantorБуферный оксид травление 6:1
АцетонOCI Company Ltd.Ацетон
4-дюймовая кремниевая пластинаHi-Solar Co., Ltd.4-дюймовая силиконовая пластина (P-100, 1 - 20 ohm.cm, Односторонняя полировка, Толщина: 440 & 20 μ m)
2-дюймовая кремниевая пластинаHi-Solar Co., Ltd.2-дюймовая силиконовая пластина (P-100, 1 - 20 ohm.cm, односторонняя полировка, Толщина: 440 & 20 μ м)

Ссылки

  1. Macleod, H. A. Thin-film optical filters. Institute of Physics Publishing. 3, 3rd, (2001).
  2. Baumeister, P. W. Optical Coating Technology. , SPIE Press. Bellingham, Washington. (2004).
  3. Kats, M. A., Blanchard, R., Genevet, P., Capasso, F. Nanometre optical coatings based on strong interference effects in highly absorbing media. Nat. Mater. 12, 20-24 (2013).
  4. Kats, M. A., et al. Ultra-thin perfect absorber employing a tunable phase change material. Appl. Phys. Lett. 101 (22), 221101(2012).
  5. Lee, K. T., Seo, S., Lee, J. Y., Guo, L. J. Strong resonance effect in a lossy medium-based Optical Cavity for angle robust spectrum filters. Adv. Mater. 26 (36), 6324-6328 (2014).
  6. Song, H., et al. Nanocavity enhancement for ultra-thin film optical absorber. Adv. Mater. 26 (17), 2737-2743 (2014).
  7. Yoo, Y. J., Lim, J. H., Lee, G. J., Jang, K. I., Song, Y. M. Ultra-thin films with highly absorbent porous media fine-tunable for coloration and enhanced color purity. Nanoscale. 9 (9), 2986-2991 (2017).
  8. Garahan, A., Pilon, L., Yin, J., Saxena, I. Effective optical properties of absorbing nanoporous and nanocomposite thin films. J. Appl. Phys. 101 (1), 014320(2007).
  9. Moharam, M. G. Coupled-wave analysis of two-dimensional dielectric gratings. Proc. SPIE. 883, 8-11 (1988).
  10. Robbie, K., Sit, J. C., Brett, M. J. Advanced techniques for glancing angle deposition. J. Vac. Sci. Technol. B. 16 (3), 1115-1122 (1998).
  11. Hawkeye, M. M., Brett, M. J. Glancing angle deposition: Fabrication, properties, and applications of micro- and nanostructured thin films. J. Vac. Sci. Technol. A. 25 (5), 1317-1335 (2007).
  12. Jang, S. J., Song, Y. M., Yu, J. S., Yeo, C. I., Lee, Y. T. Antireflective properties of porous Si nanocolumnar structures with graded refractive index layers. Opt. Lett. 36 (2), 253-255 (2011).
  13. Jang, S. J., Song, Y. M., Yeo, C. I., Park, C. Y., Lee, Y. T. Highly tolerant a-Si distributed Bragg reflector fabricated by oblique angle deposition. Opt. Mater. Exp. 1 (3), 451-457 (2011).
  14. Harris, K. D., Popta, A. C. V., Sit, J. C., Broer, D. J., Brett, M. J. A Birefringent and Transparent Electrical Conductor. Adv. Funct. Mater. 18 (15), 2147-2153 (2008).
  15. Fairman, H. S., Brill, M. H., Hemmendinger, H. How the CIE 1931 color-matching functions were derived from Wright-Guild data. Color Research & Application. 22 (1), 11-23 (1997).
  16. Oliver, J. B., et al. Electron-beam–deposited distributed polarization rotator for high-power laser applications. Opt. Exp. 22 (20), 23883-23896 (2014).

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

Перепечатки и разрешения

Теги

Изготовление ультра-тонкий цветной фильмов с сильно поглощающих средств массовой информации с использованием угла наклона осаждения
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.