기울기 각도 증 착을 사용 하 여 미디어를 흡수 하는 높은 가진 매우 얇은 필름의 제조

요약

우리 광학 코팅을 위한 향상 된 특성을 가진 매우 얇은 컬러 필름 날조를 위한 자세한 방법 제시. 전자 빔 증발 기를 사용 하 여 기울기 각도 증 착 기술 향상 된 색상 tunability 고 순도 수 있습니다. Si 기판에 Ge 및 Au의 조작된 영화 반사율 측정 및 색상 정보 변환에 의해 분석 되었다.

초록

초 박막 구조 연구 광범위 하 게 사용 하기 위해 광학 코팅으로 하지만 성능 및 제조도 전에 남아 있다.  우리는 향상 된 특성을 가진 매우 얇은 컬러 필름 날조를 위한 고급 방법 제시. 제안 된 프로세스 큰 지역 처리 등 여러 제조 문제를 해결 합니다. 특히, 프로토콜 초박형 컬러 필름 전자 빔 증발 기를 사용 하 여 기울기 각도의 게르 마 늄 (Ge)과 금 (Au) 실리콘 (Si) 기판에 증 착에 대 한 조작에 대 한 프로세스를 설명 합니다.  기울기 각도 증 착으로 제작한 영화 다공성 초박형 필름에 색깔 변화를 유도 합니다. 색상 변경의 학위 증 착 각도 필름 두께 등의 요인에 따라 달라 집니다. 향상 된 색상 tunability 및 색상 순도 초박형 컬러 필름의 샘플을 조작. 또한, 조작된 샘플의 측정 된 반사율 반음계 값으로 변환 되었고 색상 측면에서 분석. 조작 방법은 우리의 초 박막 유연한 색상 전극, 박막 태양 전지, 광학 필터 등 다양 한 초 박막 응용 프로그램에 사용할 예정 이다. 또한, 여기 조작된 샘플의 색상 분석에 대 한 개발 과정은 광범위 하 게 다양 한 색상 구조를 공부 하 고 유용 합니다.

서문

일반적으로, 박막 광학 코팅의 성능은 광학 간섭 그들은 생산 하는 높은 반사 또는 전송 등의 유형을 기반으로 합니다. 영화-유 전체 박막, 광학 간섭 분기 웨이브 두께 (λ/4n) 같은 조건을 만족 하면 얻을 수 있습니다. 간섭 원리 오래 Fabry 페로 interferometers 분산 된 브래그 반사 경^1,2등 다양 한 광학 응용 프로그램에 사용 되었습니다. 최근 몇 년 동안, 박막 구조 금속 및 반도체 등 매우 흡수 성 재료를 사용 하 여 널리 되었습니다 공부^3,4,,56. 강력한 광학 간섭 박막 코팅 반사 파도에 특수 위상 변화를 생산 하 고 금속 필름에 흡수 성 반도체 재료에 의해 얻어질 수 있다. 이 유형의 구조는 유 전체 박막 코팅 보다 상당히 얇은 울트라 얇은 코팅을 수 있습니다.

최근에, 우리는 색상과 tunability 및 색상 순도 높게 흡수 성 얇은 필름의 개선 방법을 공부 다공성⁷를 사용 하 여. 예금 된 영화의 다공성을 제어 하 여 얇은 필름 매체의 효과적인 굴절률 변경된⁸될 수 있습니다. 효과적인 굴절률이이 변화에는 광학 특성을을 향상 시킬 수 있습니다. 이 효과에 따라, 우리 엄격한 결합 된 파 분석 (RCWA)⁹를 사용 하 여 계산에 의해 다른 두께와 porosities 울트라 얇은 컬러 필름 설계 되었습니다. 우리의 디자인 각 다공성⁷다른 필름 두께와 색상을 제공합니다.

우리는 간단한 방법, 기울기 각도 증 착, 높게 흡수 성 박막 코팅의 다공성을 제어 하 고용. 기울기 각도 증 착 기술을 기본적으로 기울이면된 기판¹⁰전자 빔 증발 기 또는 열 증발 기, 전형적인 증 착 시스템을 결합합니다. 사건 속의 기울기 각도 증기 유량에 도달할 수 없습니다 직접¹¹영역 생성 원자 섀도잉 만듭니다. 기울기 각도 증 착 기술은 다양 한 박막 코팅 응용 프로그램^12,13,14에서 널리 사용 되었습니다.

이 작품에서는, 우리는 전자 빔 증발 기를 사용 하 여 경사 증 착 하 여 초박형 컬러 필름 날조를 위한 프로세스 선발. 또한, 큰 지역 처리를 위한 추가 방법은 별도로 제공 됩니다. 프로세스 단계에 뿐만 아니라 제작 과정에 반영 해야 하는 몇 가지 메모 자세히 설명 합니다.

우리 또한 CIE 색 좌표와 RGB 값¹⁵에 표현 될 수 있도록 조작된 샘플의 반사율을 측정 하 고 분석에 대 한 색상 정보로 변환 하기 위한 프로세스를 검토 합니다. 또한, 초박형 컬러 필름 제조 과정에서 고려해 야 할 몇 가지 문제도 설명 합니다.

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프로토콜

주의: 일부 화학 물질 (즉, 버퍼링 된 산화 현상, 이소프로필 알코올, 등)에 사용이 프로토콜은 건강에 위험할 수 있다. 어떤 샘플 준비 발생 하기 전에 모든 관련 물질 안전 데이터 시트를 참조 하십시오. 적절 한 개인 보호 장비 (예를 들어, 실험실 코트, 안전 안경, 장갑, 등) 활용 및 컨트롤 (예를 들어, 젖은 역, 퓸 후드, 등) 엔지니어링 etchants 및 용 매를 처리할 때.

1. Si 기판의 준비

1. 사각형 크기 2 cm x 2 cm로 4 인치 실리콘 (Si) 웨이퍼를 컷 다이아몬드 커터를 사용 하 여. 컬러 샘플을 기판은 일반적으로 잘라 2 cm x 2 cm, 하지만 기울기 각도 증 착에 사용 되는 샘플 홀더의 크기에 따라 클 수 있습니다.
2. 소계 (PTFE) 국자를 사용 하 여 네이티브 산화물 제거, 찍어 버퍼링 된 산화 현상 (비오이)에 쪼개진된 Si 기판 3 s. 주의 대 한: 안전에 대 한 적절 한 보호를 착용 하십시오.
3. 아세톤, 이소프로필 알코올 (IPA), 및 3에 대 한 이온된 (DI) 수에 순차적으로 쪼개진된 Si 기판 청소 각 s.
   1. PTFE를 사용 하 여 3 분 35 kHz의 주파수에 대 한 초음파 목욕에서 아세톤으로 쪼개진된 Si 기판 sonicate 지 그, 청소.
   2. 아세톤을 제거 씻어 IPA로 쪼개진된 Si 기판.
   3. 청소의 마지막 단계로, 쪼개진된 Si 기판 디 물으로 린스.
4. 습기 제거를 건조 집게. 그것을 잡고 있는 동안 질소 타격 총으로 깨끗 한 기판

2. Au 반사판의

1. 집게, 탄소 테이프를 사용 하 여 평면 샘플 홀더에 청소 Si 기판 수정 하 고 소유자 Ti 및 Au 소스와 전자 빔 증발 기의 방.
2. 높은 진공 도달 1 h는 챔버 철수. 진공 챔버의 기본 압력 4 x 10 ^-6 Torr 이어야 합니다.
3. 예금 10의 두께 접착 층으로 Ti 레이어 nm 전자의 5-7%와 7.5의 DC 전압에 수동 모드에서 제어 하는 파워 빔 1의 증 착 속도 주는 kV Å / 초.
   참고: Ti 레이어 대신 동일한 두께의 Cr 층 접착 층으로 입금 하실 수 있습니다.
4. 보증금 100의 두께를 반사 층으로 Au 레이어 nm 전자의 13-15%와 7.5의 DC 전압에 수동 모드에서 제어 하는 파워 빔 kV, 2의 증 착 속도 주는 Å / 초.
   참고: Au 반사 층의 두께 100 보다 클 수 있습니다 nm. 두께 100 nm Au의 광학 특성을 유지 하면서 최대한 얇은 반사 레이어를 만들기 위해 여기 입금 됩니다.
5. Au 후 레이어 증 착 챔버를 환기 하 고 샘플을 꺼내. 그들은 기울기 각도 증 착에 대 한 경사 샘플 홀더와 함께 다시 로드 해야 합니다.

3. 기울기 각도 증 착에 대 한 경사 샘플 홀더의 준비

참고: z 축 회전 척 ¹⁶, 같은 경사 증 착에 사용할 수 있는 여러 가지 방법이 있습니다 하지만이 필요 합니다 장비 수정 및 영화 수만 수 입금 한 각도에서 한 번에. 효율적으로 다른 증 착 각도 의해 생성 하는 색상에서, 우리는 다른 각도에서 샘플을 경사 샘플 홀더 사용. 정밀, 경사 샘플 홀더 금속 가공 장비를 사용 하 여 할 수 있다. 그러나,이 문서에서는 쉽게 따라 할 수 있는 간단한 방법을 소개.

1. 알루미늄 등 쉽게 구부릴 수 있는 금속 금속 접시 준비.
2. 금속판 3 2 cm x 5 cm 조각으로 잘라.
3. 각도기와 함께 바닥에 금속 조각을 수정 하 고 짧은 쪽을 잡고 원하는 증 착 각도 (즉, 30 °, 45 °와 70 °)에 금속을 구 부.
4. 탄소 테이프를 사용 하 여 4 인치 시료 홀더를 구부러진된 금속 조각 연결.

4. 기울기 각도 증 착 층의 Ge

참고:이 섹션에서 참조 다음 경사 경사 샘플 홀더, 및 다공성 Ge 영화에 샘플의 그림 1 도식 다이어그램 증 착 각도.

1. 각각 0 °, 30 °, 45 °와 70 °의 각도로 경사 샘플 홀더 탄소 테이프와 4 개의 Au 입금 샘플 수정.
2. 기울기 각도 증 착에 대 한 Ge 소스와 전자 빔 증발에 경사 샘플 홀더에 Au 입금 샘플 로드.
3. 높은 진공 도달 1 h는 챔버 철수. 진공 챔버의 기본 압력 4 x 10 ^-6 Torr 이어야 합니다.
4. 7.5의 DC 전압에 수동 모드에서 제어 하는 전자 빔 전력의 6-8% 착 색 층으로 Ge 레이어 예금 1의 증 착 속도 주는 kV Å/초. 4 개 샘플에 Ge 층의 증 착 두께 10 nm, 15 nm, 20 nm, 그리고 25 nm, 각각.
   참고: 증 착 두께 10 nm, 15 nm, 20 nm, 그리고 25 nm의 각 증 착 각도 대 한 색상 변화 비교를 촉진 하기 위하여 선정 되었다. 다른 각도 및 두께 (5-60 nm) 특정 색상을 달성 하기 위해 선택 될 수 있다.
5. Ge 후 레이어 증 착 챔버를 환기 하 고 샘플을 꺼내.

5. 넓은 영역에 대 한 기울기 각도 증 착 프로세스

참고: 기울기 각도 증 착에 사용 하는 샘플의 크기가 작은 경우에, 그것은 4 단계에 자세히 설명 하는 프로세스에 의해 날조 될 수 있다. 그러나, 가공 될 샘플의 크기가 큰 경우 z 축 ¹⁶ 따라 증발 유동적에서 변화 때문에 필름 균일성을 유지 하기가 어려워집니다. 따라서, 별도 추가 과정, 단계 5, 큰 샘플을 조작 하 고 균일 한 색상을 달성 하는 데 필요한.

1. 는 2 인치 웨이퍼, 2 단계에서 큰 샘플에 Au 레이어를 입금 후 45 ° 경사 샘플 홀더를 누구나 입금 큰 샘플 수정.
   참고: 이후 우리의 기울어지는 샘플 홀더 작은 샘플에 맞게 설계 되었습니다, 모든 큰 샘플을 로드 (즉, 0 °, 30 °, 45 °와 70 °) 각도 만들어집니다 샘플 사이의 간섭. 따라서, 비스듬히 한 과정에서 다양 한 각도에서 대형 샘플 입금, 그것은 대형 샘플에 적합 한 경사 샘플 홀더 필요.
2. 기울기 각도 증 착에 대 한 Ge 소스와 전자 빔 증발에 경사 샘플 홀더에 Au 입금 큰 샘플 로드.
   참고: 샘플을 로드할 때 두 번째 증 착 층 되어야 합니다 그래서 로드 샘플의 방향을 참고 첫 번째 증 착과 같은 방향으로 입금. 편의 위해, 것이 좋습니다 샘플 홀더는 상공 회의소의 전면에 직면 로드.
3. 철수를 1 h는 챔버 높은 진공에 도달 합니다. 진공 챔버의 기본 압력 4 x 10 ^-6 Torr 이어야 합니다.
4. 10의 증 착 두께를 색칠 레이어로 Ge 레이어를 입금 nm, 20의 대상 두께의 절반 nm, 7.5의 DC 전압에 수동 모드에서 제어 하는 전자 빔 전력의 6-8 %1의 증 착 속도 주는 kV Å / 초
5. 끝나면 첫 번째 Ge 층의 증 착 챔버 환기와 샘플 위치를 변경 하 고 다시 로드 하기 때문에 샘플을 꺼내.
6. 첫 번째 증 착의 위치에 관하여 거꾸로 되는 위치에 경사 샘플 홀더를 샘플 수정.
7. 홀더 첫 번째 증 착과 같은 방향으로 얼굴에 Ge 소스와 경사 샘플 홀더 샘플 로드.
8. 높은 진공 도달 1 h는 챔버 철수. 진공 챔버의 기본 압력 4 x 10 ^-6 Torr 이어야 합니다.
9. 10의 증 착 두께를 색칠 레이어로 Ge 레이어를 입금 nm, 20의 대상 두께의 절반 nm, 7.5의 DC 전압에 수동 모드에서 제어 하는 전자 빔 전력의 6-8 %1의 증 착 속도 주는 kV Å / 초
10. Ge 후 레이어 증 착 챔버를 환기 하 고 샘플을 꺼내.

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결과

그림 2a 는 2 cm x 2 cm 조작 샘플의 이미지를 보여줍니다. 샘플 영화 했다 다른 두께 조작 했다 (즉, 10 nm, 15 nm, 20 nm, 그리고 25 nm)와 (즉, 0 °, 30 °, 45 °와 70 °) 다른 각도에서 예금 되었다. 색 두 샘플 및 증 착 각도의 두께의 조합에 따라 입금된 영화 변경입니다. 색상에서 변화는 영화의 다공성에 변화에서 유래한 다. 증 착 각도 따라 그림 2의 ...

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토론

기존의 박막 코팅 채색^3,,45,6, 색상 변경 다른 재료 두께 조정 하 여 제어할 수 있습니다. 다른 굴절율을 가진 물자의 선택은 다양 한 색상을 조정에 대 한 제한. 이 제한 휴식, 우리는 기울기 각도 증 착 박막 컬러 코팅을 악용. 증 착 각도 따라 레이어 원자에 의해 변경 되는 Ge의 다공성은

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자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
KVE-2004L	Korea Vacuum Tech. Ltd.		E-beam evaporator system
Cary 500	Varian, USA		UV-Vis-NIR spectrophotometer
T1-H-10	Elma		Ultrasonic bath
HSD150-03P	Misung Scientific Co., Ltd		Hot plate
Isopropyl Alcohol (IPA)	OCI Company Ltd.		Isopropyl Alcohol (IPA)
Buffered Oxide Etch 6:1	Avantor		Buffered Oxide Etch 6:1
Acetone	OCI Company Ltd.		Acetone
4 inch Silicon Wafer	Hi-Solar Co., Ltd.		4 inch Silicon Wafer (P-100, 1 - 20 ohm.cm, Single side polished, Thickness: 440 ± 20 μm)
2 inch Silicon Wafer	Hi-Solar Co., Ltd.		2 inch Silicon Wafer (P-100, 1 - 20 ohm.cm, Single side polished, Thickness: 440 ± 20 μm)