Elektroabscheidung von einheitlicher Dicke Ge<sub&gt; 23</sub&gt; Sb<sub&gt; 7</sub&gt; S<sub&gt; 70</sub&gt; Und As<sub&gt; 40</sub&gt; S<sub&gt; 60</sub&gt; Chalkogenidglases Films

Zusammenfassung

A method of uniform thickness solution-derived chalcogenide glass film deposition is demonstrated using computer numerical controlled motion of a single-nozzle electrospray.

Zusammenfassung

Lösungsbasierte Elektrosprüh Filmabscheidung, die mit einer kontinuierlichen kompatibel ist, Rolle-zu-Rolle-Verarbeitung wird auf Chalkogenidgläser aufgetragen. Zwei Chalcogenid - Zusammensetzungen werden gezeigt: Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ und As ₄₀ S _60, die beide in großem Umfang für planare mittleren Infrarot (mid-IR) mikrophoto Geräte untersucht worden. Bei diesem Ansatz werden einheitliche Dicke Folien, die durch die Verwendung von CNC-gesteuerten (CNC) Bewegung hergestellt. Chalkogenidglas (CHG) durch eine einzelne Düse entlang eines Serpentinenpfad über das Substrat geschrieben. Filme wurden zwischen 100 ° C und 200 ° C unter Vakuum zu einer Reihe von Wärmebehandlungen unterzogen, um restliches Lösungsmittel auszutreiben und die Filme zu verdichten. Basierend auf Übertragung Fourier-Infrarot-Spektroskopie (FTIR) transformieren und Rauheitsmessung Oberfläche wurden beide Mittel gefunden, für die Herstellung von planaren Vorrichtungen geeignet sein im mittleren IR-Bereich arbeitet. Das restliche LösungsmittelEntfernung wurde gefunden viel schneller für die As ₄₀ S ₆₀ Film zu sein im Vergleich zu Ge ₂₃ Sb ₇ S _70. Basierend auf den Vorteilen der Elektrosprüh wird direkten Drucken eines Gradienten Brechungsindex (GRIN) mid-IR transparenten Beschichtung vorgesehen, die Differenz im Brechungsindex der beiden Zusammensetzungen in dieser Studie gegeben.

Einleitung

Chalcogenidgläser (CHGS) sind bekannt für ihre breiten Infrarot - Übertragung und Ansprechbarkeit auf einheitliche Dicke, Decke Filmabscheidung ^1-3. On-Chip - Wellenleiter - Resonatoren, und anderen optischen Komponenten können dann aus diesem Film durch Lithographietechniken gebildet werden, und dann anschließende Polymerbeschichtung mikrophotoVorrichtungen ^4-5 herzustellen. Eine wichtige Anwendung , die wir suchen , zu entwickeln , ist klein, preiswert, hochempfindliche chemische Sensorvorrichtungen im mittleren IR - Betrieb, in dem viele organische Spezies haben optische Signaturen ^6. Mikrophotochemische Sensoren können in rauen Umgebungen, wie zum Beispiel in der Nähe von Kernreaktoren eingesetzt werden, wo die Einwirkung von Strahlung (Gamma- und Alpha) wahrscheinlich ist. Daher eine umfangreiche Untersuchung der Änderung der optischen Eigenschaften der ChG Elektrosprüh Materialien ist entscheidend und wird in einer anderen Arbeit berichtet werden. erst vor kurzem in diesem Artikel wird Elektrosprüh Filmabscheidung von CHGS gezeigt, wie es ein Verfahren ist,auf CHGS ⁷ angewendet.

Die bestehenden Filmabscheidungsverfahren können in zwei Klassen eingeteilt werden: Dampfabscheidungstechniken, wie beispielsweise thermische Verdampfung von Schütt ChG Targets und lösungs abgeleiteten Techniken, beispielsweise durch Spin-Beschichtung einer Lösung von ChG in einem Amin-Lösungsmittel gelöst. Im allgemeinen lösungs abgeleiteten Filme neigen dazu , in höheren Verlust des Lichtsignals zur Folge haben aufgrund des Vorhandenseins von restlichem Lösungsmittel in der Filmmatrix ^3, die jedoch ein einzigartiger Vorteil der Lösung abgeleiteten Techniken über Dampfabscheidung ist die einfache Einarbeitung von Nanopartikeln (zB Quantenpunkte oder QD) vor dem Spin-Coating ^8-10. Jedoch Aggregation von Nanopartikeln wurde in spinnbeschichteten Filme ¹⁰ beobachtet. Darüber hinaus, während vapor deposition und spin-coating Ansätze zur Bildung von gleichmäßiger Dicke, Decke Folien gut geeignet sind, sie eignen sich nicht gut lokalisierte Abscheidungen oder künstlich ungleichmäßiger Dicke Filme. Furthermore, Scale-up von Spin-Beschichtung ist wegen der hohen Materialabfall schwierig aufgrund Läufe aus dem Substrat, und weil es nicht ein kontinuierlicher Prozess ^11.

Um einige der Einschränkungen der aktuellen ChG Filmabscheidungstechniken zu überwinden, haben wir die Anwendung von Elektrosprüh zum ChG Materialsystem untersucht. In diesem Verfahren kann ein Aerosolspray des ChG Lösung gebildet werden , indem ein elektrisches Hochspannungsfeld ⁷ angelegt wird . Weil es ein kontinuierliches Verfahren ist, das mit Rolle-zu-Rolle-Verarbeitung, in der Nähe von 100% Verwendung von Material kompatibel ist möglich, was ein Vorteil gegenüber Spin-Beschichtung ist. Darüber hinaus haben wir vorgeschlagen, dass die Isolierung von einzelnen QD in den einzelnen ChG Aerosoltröpfchen besser QD Dispersion führen könnte aufgrund der geladenen Tröpfchen durch Coulomb-Abstoßung räumlich selbst-dispergierenden ist, kombiniert mit den schnelleren Trocknungs Kinetik der hohen Oberfläche Tröpfchen dass die Bewegung von QD minimieren aufgrund derErhöhung der Viskosität der Tröpfchen , während im Flug ^{7, 12.} Schließlich lokalisierte Ablagerung von Vorteil ist , die GRIN - Beschichtungen verwendet werden können , zu fertigen. Erkundungen sowohl QD Einbau und GRIN Herstellung von ChG mit Elektro sind derzeit im Gange als einem zukünftigen Artikel eingereicht werden.

In dieser Veröffentlichung wird die Flexibilität der Elektrosprüh von beiden lokalisierte Abscheidungen und gleichmäßiger Dicke Filme gezeigt. Um die Eignung der Folien für planare photonische Anwendungen untersuchen, Übertragung Fourier-Transformations-Infrarot (FTIR) -Spektroskopie, Oberflächenqualität, Dicke und Brechungsindexmessungen genutzt werden.

Protokoll

Achtung: Bitte wenden Sie Sicherheitsdatenblätter (MSDS), wenn sie mit diesen Chemikalien zu arbeiten, und beachten Sie die anderen Gefahren wie Hochspannung, mechanische Bewegung des Abscheidungssystem und hohen Temperaturen der Heizplatte und Öfen verwendet.

Hinweis: Beginnen Sie dieses Protokoll mit Masse Chalkogenidglas, das ² durch bekannte Schmelz-Quench - Verfahren hergestellt wird.

1. Herstellung von Lösungen ChG

Anmerkung: Zwei Lösungen verwendet werden , die in dieser Studie, Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ und As ₄₀ S _60, sowohl in gelöstem Ethanolamin in einer Konzentration von 0,05 g / ml. Die Herstellung der beiden Lösungen identisch sind. Führen Sie alle Schritte in diesem Abschnitt innerhalb einer Dunstabzugshaube.

1. Crush the bulk Glas in ein feines Pulver mit einem Mörser und Stößel.
2. Mischungs 0,25 g des Glases mit 5 ml Ethanollösungsmittels.
3. Lassen Sie 1-2 Tage für eine vollständige Auflösung vondas Glas. Expedite Auflösung, indem die Lösung auf einer Heizplatte mit einer Oberflächentemperatur von ca. 50-75 ° C erhitzt wird. Erhöhen die Auflösungsgeschwindigkeit durch Rühren der Mischung, beispielsweise mit einem magnetischen Rührstab.
4. Filterlösung in ein Vial mit 0,45 um Polytetrafluorethylen (PTFE) Filter keine große Präzipitate aus der Lösung zu entfernen.

2. Einstellen des Abscheidungsprozesses auf

Anmerkung: Die Elektrosprüh - Abscheidungssystem ist schematisch in Abbildung 1 In diesem Verfahren wird eine 50 & mgr; l Glasspritze mit PTFE-tipped Plunger genutzt wird.. Die Spritze ist eine abnehmbare Nadel der Art mit einem kegel gekippt, 22-Gauge-Nadel Außendurchmesser (0,72 mm Außendurchmesser, 0,17 mm Innendurchmesser), und ist mit dem vertikal ausgerichteten Spritzenpumpe der Elektroanlage angeschlossen. Das Elektrosystem ist in diesen ersten Experimenten zur Umgebungsatmosphäre ausgesetzt, obwohl das System Set-up innerhalb einer Glovebox. Das System sollte set-up in einer Stelle, wo es von dem Benutzer, beispielsweise ein Laborabzug isoliert ist.

1. Das Ende der Nadel in die ChG Lösung. Zeichnen Sie die Lösung in die Spritze durch die Spritzenpumpe in Extrakt Modus mit einer langsamen Geschwindigkeit einstellen, beispielsweise 150 & mgr; l / h, um die Bildung von Blasen zu verhindern.
2. Stellen Sie den Arbeitsabstand (10 mm in diesem Fall) zwischen dem Ende der Düse und der Oberseite des Si-Substrats von der CNC in manuellen Bewegung Modus. Platzieren Sie den Si-Substrat, das undotiert ist und einen spezifischen Widerstand von 10.000 Ohm-cm, auf eine Aluminiumplatte mit der Stromversorgung Erdrückleitung geschaltet.
3. Erlauben ein kleines Volumen der Flüssigkeit zur Beschichtung der Außenfläche der Düse durch eine Flüssigkeit aus der Spritze Abgabe der Spritzenpumpe verwendet wird. Drehen Heizplatte auf bei einer Oberflächentemperatur von etwa 75-100 ° C. Warten für ~ 2 h ein Film aus Glas zu ermöglichen, sich auf der Düsenoberfläche zu trocknen. Diese Beschichtung unterstützt die Stabilität des Sprühnebels.

3. Elektroabscheidungvon ChG Films

1. Schließen Sie den Gleichstrom (DC) Stromversorgung an der Spritze Düse mit einem elektrischen Clip.
2. Durchflussrate einstellen bei 10 & mgr; l / h und Melodie Gleichspannung einen stabilen Taylor-Konus (bei 10 mm Arbeitsabstand ~ 4 kV) zu bilden. Sehen Sie das Spray mit hoher Vergrößerung Kamera.
3. Beginnen CNC Bewegung des Sprühnebels über die Substratfilm abzuscheiden, sobald die Spritz stabil ist.
   1. Verwenden Sie einen Serpentinenweg für eine gleichmäßige Dicke oder eindimensionalen (1-D) geht für eine lineare Dickenprofil.
   2. Verwendung gelangt mit einem Abstand größer als die Breite des Substrats ist, so dass die Spritz bewegt sich vollständig von dem Substrat ab, bevor der nächste Durchlauf zu machen. Dies geschieht so, dass die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit die gleiche an jedem Punkt auf dem Substrat ist.
   3. Steuern Sie die CNC LinuxCNC Software. Ein Beispiel die ergänzenden G-Code für einen Serpentinenweg mit 0,5 mm zwischen den Durchgängen versetzt, Geschwindigkeit von 20 mm / min und 30 mm Länge der Pässe. Abbildung 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Films mit dem Serpentinenpfad hergestellt und definiert auch das Koordinatensystem.
4. Unterwerfen der abgeschiedene Film mit einer Reihe von Wärmebehandlungen unter Vakuum für 1 Stunde jeweils bei 100, 125, 150 und 175 ° C und 16 h bei 200 ° C. Eine Optimierung der Parameter der Wärmebehandlung wird im Repräsentative Ergebnisse Abschnitt dieses Artikels dargestellt.

4. Charakterisierung der ChG Films

1. Charakterisierung von Restlösungsmittelentfernung
   1. Nehmen Sie eine Übertragung FTIR-Spektrum periodisch während der Glühbedingungen, der gleichen Stelle auf der Probe bei jeder Messung. Zeichnen Sie einen Umriss des Substrats auf der Probenbühne, und legen Sie es jedes Mal innerhalb dieser Kontur eine Messung durchgeführt wird.
      1. In der FTIR - Software, klicken Sie auf "Experiment Setup" und geben Sie die Anzahl der Scans als 64. Klicken Sie auf die "Bank" Registerkarte und geben Sie den Scan - Bereich als 7.000 cm ^-1 bis 500 cm ^-1. Nehmen Sie einen Hintergrund - Scan nur mit dem Probentisch im Gerät durch einen Klick auf "Collect Hintergrund." Dann legen Sie die Probe auf der Bühne, und klicken Sie auf "Collect Probe" das Spektrum der Probe zu nehmen.
   2. Um die Entfernung des Lösungsmittels verfolgen, schätzen die Größe der organischen Absorptionen in der Filmmatrix. In der FTIR - Software, eine Basis im Spektralbereich von Interesse zu zeichnen, etwa 2,300-3,600 cm ^-1. Die Software berechnet die Fläche unter dem Transmissionsspektrum der Probe, bezogen auf die Grundlinie durch den Benutzer bestimmt.
2. Die Messung der Schichtdicke
   1. Rubbeln Sie den Film mit feinen Spitze Pinzette, bis die dunkle Substrat unter den helleren Film sichtbar wird, die in der Regel in ein Kratzen Bewegung mit leichtem Druck auftritt. Entfernen Sie die Ablagerungen, die durch mit komprimiertem Stickstoff zu kratzen.
      1. Messen Sie die Dicke der Decke Filme durch einen Kontakt Profilometerzu bestimmen, aus Folie, die die Stufenhöhe auf das Substrat. Öffnen Sie "Measurement Setup" und geben Sie in Scangeschwindigkeit von 0,1 mm / sec, und Scanlänge von 500 & mgr; m.
      2. Wägegut auf der Bühne, die Kratz Lokalisieren und Drehen der Probe, so dass der Kratzer in der Links-Rechts-Richtung ausgerichtet ist. Bewegen Sie die Bühne, so dass das Fadenkreuz knapp unter dem Grund auf neu sind, und beginnen, die Oberflächen-Scan, indem Sie auf "Messen".
      3. Sobald der Scan beendet ist, ziehen Sie den R- und M-Cursor so, dass sie sowohl auf der Filmoberfläche sind, und klicken Sie auf "Stufe Zwei Punkt Linear", um das Oberflächenprofil zu nivellieren. Bewegen Sie einen Cursor auf dem Boden der Kratzer, und notieren Sie den Abstand zwischen den Cursor-Position in der y-Dimension. Measure Dicke an mehreren Stellen eine durchschnittliche Dicke und die Varianz in den Daten zu erhalten.
   2. Bestimmung der Dickenprofile der nicht-gleichförmigen Dicke Filme durch Abtasten des Profilometers über die gesamte Folie (senkrecht zur 1-D Bewegung verwendet, um den Film zu deponieren) und verwenden diese Oberflächenprofil eine graphische Darstellung der Schichtdicke gegenüber der Position zu schaffen.
      1. Scannen über den gesamten Film durch eine geeignete Abtastlänge größer als die Breite des Films eintritt, in der Regel 10-20 mm, in "Measurement Setup". Platzieren das Fadenkreuz auf unbeschichteten Substrat auf einer Seite der Folie und auf "Measurement", so dass die Profilometer den Scan auf unbeschichteten Substrat auf der anderen Seite der Folie zu vervollständigen. Rechtsklick auf das Oberflächenprofil und Export als CSV-Datei.
      2. Alternativ kann, wenn das Substrat nicht flach genug ist zuverlässig Dickendaten zu erhalten, kratzen die Folie nach unten auf das Substrat mit etwa 1 mm zwischen Kratzern und Scan-Profilometer auf gesamten Film. Schreiben Sie die Dicke nach unten und horizontale Position bei jeder Kratzer, und erstellen Sie aus diesen Datenpunkten eine graphische Darstellung der Schichtdicke gegenüber der Position.
3. Messen Sie Oberflächenrauhigkeit mit einem Weißlicht-Interferometer^13. Stellen Sie den Fokus und Bühnen Neigung zu Interferenzstreifen über den gesamten Messbereich erzeugen, die in diesem Fall war 414 um x 414 um das 5 - fach Ziel verwenden. Nehmen fünf Messungen für die gleichmäßige Filmdicke, die durchschnittliche Rauhigkeit und der Varianz der Daten zu bestimmen.
4. Messung des Brechungsindex mit einem Ellipsometer ¹⁴ im Bereich von 600-1,700 nm Wellenlänge. In diesem Fall ist ein Einfallswinkel von 60 °, die Verwendung und den Strahl auf eine Punktgrße von 35 um konzentriert.
   1. Nehmen einer Messung an dem unbeschichteten Substrat, Anpassen der Daten, die Dicke der nativen Oxidschicht zu bestimmen. Verwenden Sie diese Informationen, um die Probe als drei Schichtsystem zu modellieren: Si-Wafer + native Oxid + abgeschiedenen Films. Nehmen acht Messungen an verschiedenen Stellen auf der Probe mit dem mittleren Brechungsindex und der Varianz, um zu bestimmen, während das Cauchy-Modell unter Verwendung der Daten zu passen.

Ergebnisse

Eine schematische Darstellung der Serpentinenbahn gleichmäßiger Dicke Filme mit einzelnen Düse Elektrosprüh zu erhalten verwendet wird in Abbildung 2 dargestellt. 3 zeigt ein beispielhaftes Getriebe FTIR - Spektrum eines teilweise ausgehärteten As ₄₀ S ₆₀ - Film mit Serpentinenbewegung des Sprühnebels aus, wie auch das Spektrum der reinen Ethanollösungsmittels. Aus der Information, die eine solche aus dem FTIR - Spektren erha...

Diskussion

Zu Beginn einer einheitlichen Filmdicke mit Serpentin Bewegung des Spritz relativ zu dem Substrat abgeschieden wird, wird die Filmdickenprofil zu erhöhen. Sobald der Abstand in der y-Richtung durchfahren, den Durchmesser des Sprühnebels übersteigt (bei der Ankunft am Substrat), wird die Durchflussrate für jeden Punkt auf dem Substrat ungefähr äquivalent und Dickengleichmäßigkeit erzielt wird. Um die entsprechenden Abscheidungsparameter von einer gleichmäßigen Dicke elektrogesprüht Film, theoretische Filmdicke...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
Ethanolamine	Sigma-Aldrich	411000-100ML	99.5% purity
Si wafer	University Wafer	1708	Double side polished, undoped
Syringe	Sigma-Aldrich	20788	Hamilton 700 series, 50 microliter volume
Syringe pump	Chemyx	Nanojet
CNC milling machine	MIB instruments	CNC 3020
Power supply	Acopian	P015HP4	AC-DC power supply, 15 kV, 4 mA