superfici per la e l’ - lnl.infn.itstages/2011/tesine/Presentazione finale D2.pdf · • Lenti per sistemi laser • Lenti per macchine fotografiche • Schermi di pc , tv • vetri

Trattamento di superfici per la Ricerca e l’Industria: applicazione alla realizzazione di materiali per 

l’ottica

ScopoLo scopo dell’esperienza consiste nella progettazione a partire da una simulazione a computer e nella realizzazione tramite deposizione di un rivestimento antiriflesso, ovvero uno strato di dimensioni nanometriche che riduce la riflessione sulla superficie di un componente ottico.Per ottenere un risultato più efficace si è scelto di depositare più strati composti da due materiali con proprietà ottiche differente deposti in modo alternato.

Applicazioni di un rivestimento antiriflesso

• Ricoprimento di lenti• Lenti per occhiali (migliore visione, riduzione del bagliore)• Lenti per telescopi• Lenti per sistemi laser• Lenti per macchine fotografiche• Schermi di pc , tv• vetri antiriflesso (vetrine, vetri museali, grandi vetrate, etc.)• Celle solari

Vetro senza rivestimento antiriflesso

Vetro con rivestimento antiriflesso

Come incide la luce su una superficie

T + R + S + A = 1

IR

IT

II

n1

n2

Trasmittanza T = IT / IIRiflettanza R = IR / IICoeff. Luce diffusa S = IS / IICoeff. Assorbimento  A = IA / II

S ~ 0

A~ 0T + R = 1

Principio di funzionamento di una Superficie Antiriflesso

Aria

Film sottile

Vetro

Natura ondulatoria della luce

Interferenza delle onde luminose

Interferenza costruttiva

Interferenza distruttiva

‐Interferenza distruttiva  2 n2 d cos Ψ = (2m+1)*(λ/2)

‐n2=√n1·n3

R = 0 

Ma non è così facile…

Problemi‐Singola lunghezza d’onda‐n dipende dalla lunghezza d’onda‐Numero limitato di materiali (n2 < n3)

es. vetro: n=n3=1.5  n2=1.22

______

Programma di attività: obiettivo di ogni gruppo

Gruppo 1: simulazioni (Arienti Gaia, Chiappara Davide)

Gruppo 2: evaporazione (Camillo Nicolò, Casarotto Giulia)

Gruppo 3: sputtering (Bonesso Massimiliano, Tovazzi Emanuele)

Gruppo 4: RBS (Buffolo Eleonora, Pieran Michele)

Imparare ad usare un software di simulazione per elaborare almeno due multistrati antiriflesso

Deposizione di almeno un multistrato per evaporazione

Deposizione di almeno un multistrato per sputtering

Imparare ad usare un software per l’analisi dei film

TFCalc

TFCalc è un software che permette di creare multistrati ultrasottili basandosi sui valori ottici “n” e “k” caratteristici dei materiali usati, e simulando il percorso della luce necessario per “azzerare” la  riflettanza, percorso della luce modificabile cambiando gli spessori dei film posati.

indice materiale R T

1,49 CR39 7,46% 92,54%

1,52 vetro crown 8,17% 91,83%

1,56plastica a medio

indice 9,13% 90,87%

1,59 policarbonato 9,87% 90,13%

1,60 vetro ad alto indice 10,11% 89,89%

1,70 vetro ad alto indice 12,60% 87,40%

1,80 vetro ad alto indice 15,09% 84,91%

1,90 vetro ad alto indice 17,57% 82,43%

Parametri otticiLa risposta di un materiale quando viene colpito dalla luce è definibile per mezzo di due diversi parametri: il parametro “n” e il parametro “k”. Essi dipendono anche dalla lunghezza d’onda della luce che incide sul materiale stesso .

Parametro n = indice di rifrazione

Parametro k = coefficiente di assorbimento

Fitting dei materiali

La prima operazione che bisogna fare con questo software consiste nel “fitting” dei materiali, ossia bisogna riportare i materiali sul programma, in modo che quest’ultimo riesca a descriverlo con un’equazione

n

k

Uno stesso materiale…

Curva di trasmittanza

La SimulazioneDopo aver riportato i materiali sotto forma di grafici sul programma, si può iniziare a simulare un multilayer. Per fare questo bisogna inserire i dati del nostro substrato e dei nostri materiali da far condensare sul vetrino.

Come creare un rivestimento antiriflesso

Per fare lo strato antiriflesso bisogna impostare un “target”, ossia un intervallo discreto per il quale sia raggiunta la riflettanza minore possibile variando lo spessore dei layer.

Curva di riflettanza

I nostri multilayer

Materiale Nb2O5 SiO2 Nb2O5 SiO2 Nb2O5 SiO2 Nb2O5 SiO2

Spessore(nm) 21 20 80 14 40 23 123 87

Riflettanza media del vetro = 10.42%

Evaporazione

Materiale TiO2 MgF2 TiO2 MgF2

Spessore(nm) 51 16 50 77

Riflettanza media multilayer evaporato: 6.76%

Target d’interesse: 0.4<λ<0.65

Sputtering

Riflettanza media multilayer depositato mediante sputtering: 5.67%

Target d’interesse: 0.4<λ<0.65

8 Strati Nb2O3 – SiO2

Più layer = più possibilità

Variazione della riflettanza al variare dello spessore degli strati

‐5%

+5%

4 Strati TiO2 MgF2

EVAPORAZIONETecnica fisica di deposizione di film 

sottili 

Processo di evaporazione

Le fasi di questo processo sono:• Sublimazione da un solido o evaporazione da  un liquido per formare una specie aeriforme

• Trasporto degli atomi o molecole dalla sorgente al substrato da ricoprire

• Deposizione (condensazione) delle particelle sul substrato e crescita del film

Camera di evaporazione• Sistema di pompaggio dell’aria• Sistema refrigerante• Campana di lavoro• Strumentazione interna: sistema 

per evaporazione (crogiolo e cannone elettronico )  e sistema di misurazione 

Sistema di pompaggio dell’ariaIl sistema di pompaggio 

fondamentale per creare un ambiente “sotto vuoto” utilizza due pompe:

• Pompa primaria rotativa ad olio.

• Pompa secondaria diffusiva ad olio.

Il vuoto raggiunto grazie all’utilizzo delle pompe varia, a seconda del lavoro da svolgere, da 10⁻⁵ a 10⁻⁷ torr.

Perché il vuoto?

• Perché il punto di ebollizione della maggior parte dei composti diminuisce drasticamente.

• Perché il composto non collidendo con le particelle di gas viaggia in linea retta verso il substrato.

• Perché riduce la contaminazione del film sottile dovuta al pulviscolo atmosferico.

• Perché ad alte temperature l’ossidazione dei materiali è molto rallentata.

Sistema di evaporazione

E’ un sistema che sfrutta due meccanismi di evaporazione:•Evaporazione per effetto Joule; il materiale da evaporare è posto su un crogiolo che verrà riscaldato e realizzato con un materiale che oltre ad avere un’alta temperatura di fusione, si è certi che non formi leghe indesiderate con il materiale da evaporare•Evaporazione per cannone elettronico; in questo caso il materiale nel crogiolo è colpito da un fascio di elettroni guidato da un sistema magnetico.

Sistema di misurazioneIl sistema di misurazione è costituito da un misuratore di spessore capacitivo che viene montato all’interno della camera da vuoto e posizionato in prossimità del substrato. Nel misuratore un quarzo funziona come un condensatore che oscilla ad una determinata frequenza, durante l’evaporazione il materiale condenserà anche sul quarzo e questo determinerà una variazione della frequenza di oscillazione, in base al peso del materiale che in esso si condenserà.

Obbiettivo dello stage

La nostra esperienza prevedeva la realizzazione di un   multistrato di 4 layer di ossido di titanio(TiO₂) e di fluoruro di magnesio(MgF₂) per ottenere un film antiriflesso.

Prima di realizzare questo però, sono stati creati due single layer per verificare i tempi di evaporazione e la capacità di produrre lo spessore desiderato calibrando così la strumentazione.

MgF₂ single layerLo spessore che volevamo ottenere in questo layer era di approssimativamente 500 Å. Per ottenere questo spessore dovevamo misurare nella microbilancia interna un valore che si ottiene moltiplicando lo spessore desiderato per la densità del composto e per il rapporto tra la distanza del campione dal centro del portaoggetti e della distanza tra il campione e la sorgente per l’evaporazione. Il valore da leggere nella microbilancia era di quindi 15,65  µg/cm2.Densità 3,13 g/cm3

.I parametri presenti nella camera di evaporazione durante l’esperienza erano:• Vuoto di 4*10⁻⁶ torr.• Temperatura portacampione 250°C• Temperatura di fusione del composto 1261°C

Lo spessore dello strato di composto ottenuto con l’evaporazione è stato misurato grazie all’AFM che ha rilevato il valore di 480 ± 32 Å.

La densità sperimentale calcolata alla fine è di 3,28 g/cm³.

TiO₂Lo spessore che volevamo ottenere in questo layer era di approssimativamente 500 Å, l’equivalente valore da leggere nelle microbilancia posizionata all’interno della camera era invece di 10,08 µg/cm².Densità teorica 3,84 g/cm³.

I parametri presenti nella camera di evaporazione durante l’esperienza erano:• Vuoto di 5*10⁻⁵ torr.• Temperatura portacampione 250°C• Temperatura di fusione del composto 1.855 °C

Lo spessore dello strato di composto ottenuto con l’evaporazione è stato misurato grazie all’AFM che ha rilevato il valore di 840 ± 33 Å

La densità sperimentale calcolata alla fine è stata di 1,9 g/cm³.

Multilayer di TiO₂ e MgF₂Secondo i dati ottenuti dalle simulazioni che hanno creato le combinazioni 

migliori per ottenere la minor riflettanza possibile, la sequenza degli strati con i rispettivi spessori da creare su vetro è di:

• TiO₂ di 512 Å• MgF₂ di 1598 Å• TiO₂ di 501 Å• MgF₂ di 768 ÅI rispettivi valori da leggere nella microbilancia erano di:• TiO₂ di 10,31 µg/cm²• MgF₂ di 28,27 µg/cm²• TiO₂ di 11,27 µg/cm²• MgF₂ di 13,49 µg/cm²

DEPOSIZIONE DI FILM SOTTILI MEDIANTE SPUTTERING

Sputtering – Processo di deposizione

SPUTTERING = estrazione di atomi dalla superficie del TARGETtramite urti da parte di ioni di un PLASMA GASSOSO (in generesi utilizza Ar).

Il plasmaIl plasma (glow discharge) è un gas parzialmente o totalmente ionizzato, contenente specie cariche e neutre, quali elettroni, ioni positivi e negativi, atomi e molecole.

Il plasma è anche noto come il quarto stato della materia.

I plasmi comunemente utilizzati per la produzione di film sottili sono sostenuti attraverso la ionizzazione di un gas racchiuso tra due elettrodi alimentati da un generatore di potenza, fornita attraverso una corrente continua o alternata.

Erosione di una matrice (target) del materiale da depositare ad opera degli ioni di un plasma debolmente ionizzato

Le specie atomiche emesse dal target attraversano la regione di plasma e vanno a depositarsi su opportuni substrati, dando origine ad un film.

E’ importante che che tutto ciò avvenga in VUOTO:•Mantiene pulita la camera ;•Tiene in vita il plasma;•Evita di contaminare il target e la deposizione del film; 

Apparato sperimentale

Camera di deposizione

Sistema di pompaggio

Regolatori di flusso

Camera di deposizione

due sorgenti per RF‐magnetron sputtering, in SiO2 e in Nb2O5

supporto portacampioni

microbilancia per la misura di spessore

Il nostro obbiettivo

Lo scopo dell’esperienza è quello di formare un multistrato di 8 layer composto da strati alternati di ossido di niobio (Nb2O5) e di silicio (SiO2 ), su un substrato vetroso, in modo da renderlo antiriflettente. 

Dal momento che ogni strato deve avere un preciso spessore, prima di poterlo formare e’ necessario calibrare la macchina per i due layer.

Nb2O5

Come prima misura abbiamo deposto per 20 minuti su due substrati differenti di carbonio vetroso e silice. 

Layer Target Dose (µg/cm2) Durata (s) Rate medio (µg/cm2×s)Dep. N 336 Nb2O5 9,27* 10‐2 1200 7,7* 10‐2

Successivamente abbiamo  misurato al microscopio a forza atomica (AFM)  ed e`risutato essere spesso 110 ± 5 nm.  Il valore dato dalla microbilancia ha permesso di determinare lo spessore del film finale.

SiO2

Abbiamo operato lo stesso procedimento per l’ ossido di silicio per un’ora ed é risultato che: 

Layer Target Dose (µg/cm2) Durata (s) Rate medio (µg/cm2×s)Dep. N 337 SiO2 11,4* 10‐2 3600 3,1* 10‐2

Anche per questo layer abbiamo utilizzato l’ AFM per poterne misurare lo spessore che é 50 ± 2 nm.

Multistrato

Grazie alle misure prese in precedenza abbiamo calcolato il rapporto dello spessore degli strati misurati dalla  microbilancia con la misura reale, in modo tale che, conoscendo lo spessore da depositare, é possibile ricavarsi lo spessore letto nella microbilancia tramite una proporzione matematica. Con lo stesso procedimento ci siamo calcolati il tempo necessario, come controprova.

Layer TargetSpessore teorico

(nm) Spessore µ-bil (KǺ)Durata

(s)Rate medio

(Ǻ/s)1 Nb2O5 21,0 1,255 193 6,52 SiO2 20,3 2,09 1442 1,43 Nb2O5 80,4 5,82 915 6,44 SiO2 13,5 1,376 1186 1,25 Nb2O5 39,4 2,837 478 5,96 SiO2 22,9 2,338 1501 1,57 Nb2O5 123,0 8,845 1430 6,28 SiO2 86,5 8,835 6136 1,4

Tecnica RBSRutherford Backscattering

Spectrometry

Cos’è?

È una tecnica che permette di analizzare la superficie di materiali solidi, fornendo 

informazioni sulle caratteristiche degli strati superficiali.

FunzionamentoConsiste nell’esporre la superficie di un campione ad un fascio

di ioni che vanno a collidere con gli atomi del campionestesso.  In seguito all’urto le particelle vengono rivelate e 

viene calcolata l’energia cinetica persa diversa a seconda del materiale e dello spessore.

Funzionamento

•Avviene rigorosamente in vuoto.•L’urto è di tipo elastico e per questo il processo puòessere descritto dalla meccanica classica.

•Gli ioni devono possedere sufficiente energia cineticaper penetrare in profondità nel campione (da 0.5 MeV a qualche MeV). 

Utilizzo

Nel nostro caso la tecnica è stata sfruttata per analizzare la composizione e lo spessore dei 

singoli strati, in modo da verificare la correttezza delle deposizioni.

XRump

È un programma che permette di analizzare gli spettri RBS reali e di realizzare simulazioni.

In particolare noi l’abbiamo usato per:•Calcolare i parametri•Analizzare gli spettri dei singoli strati•Analizzare lo spettro del multistrato 

Calcolo dei parametri

0 200 400 600 800 1000Channel

0

50

100

150

200

250

Nor

mal

ized

Yie

ld

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0Energy (MeV)

JR7550 RBS Dep298VP Au/Cr/SiO2 x omegaSimulation of Au/Cr/Si-O

SiO AuCr

Calcolo dell’angolo solido

• Θ = angolo piano tra il fascio e il rivelatore• Y = numero di conteggi• σ = sezione d’urto [cm2] (già noto in letteratura)• Ω = angolo solido [msr] (legato all’area di raccolta del rivelatore, da ricavare sperimentalmente)

• Q = carica ionica totale (noto in partenza)• Ns = numero di atomi per unità di area [at/cm2] (l’incognita da trovare)

Ns = cos θ Y / σ Ω Q

Calcolo dell’angolo solido

150 200 250 300 350Channel

0

5

10

15

20N

orm

aliz

edY

ield

0.6 0.8 1.0Energy (MeV)

JR7550 RBS Dep298VP Au/Cr/SiO2 x omegaSimulation of Au/Cr/Si-O

SiO

Calcolo della risoluzione

100 200 300 400 500 600Channel

0

1

2

3

4

5

6

Nor

malized

Yield

0.5 1.0 1.5 2.0Energy (MeV)

JR7552 RBS MgF2 evap su C SPI n. 13 campione stage

TaO MgFCArClS K Ca

Deposizione per evaporazione: MgF2

Atomo Dose (atm/cm^2) Mg / F AbbondanzaMg 1,2583E+17

0,50028 +0,056% MgF 2,5152E+17Ta 1,9752E+14O 2,1137E+16

Deposizione per evaporazione: TiO2

100 200 300 400 500 600Channel

0

2

4

6

8

10

12

14

Nor

malized

Yield

0.5 1.0 1.5Energy (MeV)

JR7551 RBS TiO2 evap su C SPI n. 13 campione stage

TiOC

Atomo Dose (atm/cm^2) AbbondanzaTi 2,0684E+17 +2% ossigenoO 4,2199E+17

Deposizione per sputtering: SiO2

100 150 200 250 300 350 400Channel

0

1

2

3

4

5

6

7

Nor

maliz

edY

ield

0.4 0.6 0.8 1.0 1.2Energy (MeV)

JR7554 RBS Dep337VP SiOx su C SPI n. 14 campione stage

O SiC

Atomo Dose (atm/cm^2) AbbondanzaSi 1,0591E+17 +6,5 %ossigenoO 2,2551E+17

Deposizione per sputtering: Nb2O5

100 200 300 400 500 600Channel

0

20

40

60

80

100

Nor

mal

ized

Yie

ld0.5 1.0 1.5

Energy (MeV)

JR7553 RBS Dep336VP NbOx su C SPI n. 14 campione stage

NbOC

Atomo Dose (atm/cm^2) AbbondanzaNb 2,6424E+17 +2,2% ossigenoO 6,7528E+17

Multistrato evaporazione (4 layer): MgF2‐TiO2

0 100 200 300 400 500 600Channel

0

10

20

30

40

50

Nor

malized

Yield

0.5 1.0 1.5Energy (MeV)

Simulation of Mg-F-Ta/Ti-O/Mg-F-Ta/Ti-O/Si

O TiMg SiF

JR7554 RBS Dep337VP SiOx su C SPI n. 14 campione stageJR7554 RBS Dep337VP SiOx su C SPI n. 14 campione stageJR7554 RBS Dep337VP SiOx su C SPI n. 14 campione stage

Ta

Multistrato evaporazione (4 layer): MgF2‐TiO2

0 100 200 300 400 500 600 700Channel

0

10

20

30

40

50

Nor

malized

Yield

0.5 1.0 1.5 2.0Energy (MeV)

JR7568 RBS MgF2-TiO2 evap 4 strati su C vetroso SPI n. 13Simulation of Mg-F-Ta/Ti-O/Mg-F-Ta/Ti-O/Si-H

N°layer Sostanza Atomo Rapporto

Dose (atom/cm^2)

Spessore RBS(nm)

Spessore Teorico (nm)

1 MgF2Mg 1 1,92E+17

73,5 73,87F 2 3,86E+17

Ta 0,015 5,79E+15

2 TiO2Ti 1 1,67E+17

68,0 84,93O 2 3,35E+17

3 MgF2Mg 1 4,67E+17

178,1 153,63F 2 9,34E+17

Ta 0,02 1,87E+16

4 TiO2Ti 1 2,25E+17

91,3 86,7O 2 4,49E+17

Multistrato evaporazione (4 layer): MgF2‐TiO2

Multistrato sputtering (8 layer): SiO2‐Nb2O5

100 200 300 400 500 600Channel

0

10

20

30

40

Nor

maliz

edY

ield

0.5 1.0 1.5Energy (MeV)

JR7563 RBS Dep338VP Nb2O5-SiO2 8 strati su C vetroso SPI n. 14Simulation of Si-O/O-Nb/Si-O/O-Nb/Si-O/O-Nb/Si-O/O-Nb/C

NbOC Si

Multistrato sputtering (8 layer): SiO2‐Nb2O5

N° layer Sostanza Atomo Dose (atm/cm^2) Spessore RBS (nm) Spessore teorico (nm)

1 SiO2 Si 1,64E+1778,4 86,48

O 3,27E+17

2 Nb2O5 Nb 2,38E+17 126,5 122,96O 5,95E+17

3 SiO2Si 3,79E+17

18,1 22,89O 7,57E+17

4 Nb2O5 Nb 5,09E+1727,0 39,43

O 1,27E+18

5 SiO2 Si 2,89E+1613,8 13,47

O 5,78E+16

6 Nb2O5 Nb 1,30E+1769,0 80,44

O 3,25E+17

7 SiO2 Si 3,77E+1618,0 20,28

O 7,53E+16

8 Nb2O5 Nb 3,75E+1619,9 20,95

O 9,37E+16

CONCLUSIONIAlla fine dell’esperienza di creazione della nostra lente antiriflesso abbiamo confrontato con l’ausilio di uno spettro fotometro la percentuale di luce riflessa (ottenuta applicando la relazione che intercorre tra la trasmittanza e la riflettanza R + T = 1) e la percentuale ottenuta tramite simulazione

Possibili errori considerati:

‐Ogni deposito più spesso del 5%

‐Ogni deposito meno spesso del 5%

‐Ogni deposito del “materiale 1” più spesso del 5%

‐Ogni deposito del “materiale 1” meno spesso del 5%

‐Ogni deposito del “materiale 2” più spesso del 5%

‐Ogni deposito del “materiale 2” meno spesso del 5%

In un grafico possono essere rappresentate le diverse curve di riflettanza per un confronto:  la curva simulata, quella verificata ssperimentalmente e una di quelle con errore che si avvicini il più possibile a quella sperimentale: in questo modo possiamo ipotizzare un errore avvenuto durante la deposizione del multilayer

Multilayer depositato tramite evaporazione 4 layers                TiO2 – MgF2

Multilayer depositato con sputtering

8 layers

Nb2O3 – SiO2

Riflettanza sperimentale media vetro: 9. 98%

Riflettanza sperimentale media multilayer deposto mediante evaporazione: 8.18%

Riflettanza sperimentale media multilayer deposto mediante sputtering: 5.93%