Критические материалы для вакуумного ультрафиолетового фильтра (VUV)

Вакуумная ультрафиолетовая (ВУФ) оптика занимает небольшую, но быстро расширяющуюся нишу в современной фотонике. Мы обсудим важнейшие материалы, которые находят применение в фильтрах VUV, включая тонкопленочные покрытия и объемные подложки для окон. Надеемся, что вы сможете лучше понять, как выбор материала напрямую влияет на производительность и долговременную надежность фильтра.

Проблема прозрачности ВУФ-фильтров

Прежде чем перейти к материалам, следует упомянуть о том, почему оптика VUV представляет собой особую сложность. Для большинства материалов в этом диапазоне длин волн электронные переходы находятся так близко к энергии фотонов ВУФ-излучения, что происходит сильное поглощение. Только в некоторых кристаллических фторидах и некоторых покрытиях можно реально пропускать излучение на длине волны 120 нм и ниже. В то же время эти материалы должны быть устойчивы к высокоэнергетическому излучению, потенциальному воздействию реактивных условий и термоциклированию в мощных оптических системах. Таким образом, круг кандидатов становится ограниченным.

Фторидные кристаллы в качестве подложек для окон

Среди объемных оконных материалов преобладают щелочноземельные и щелочно-галоидные фториды. Они имеют широкую полосу пропускания, что позволяет им хорошо пропускать ВУФ, но при этом обладают сравнительно стабильными физико-механическими свойствами.

-Фторид магния (MgF₂):

MgF₂ - один из наиболее широко используемых материалов для ВУФ-окон. Он пропускает свет вплоть до 115 нм и может использоваться в большинстве систем спектроскопии и литографии. MgF₂ обладает достаточной механической прочностью и устойчивостью к влаге, что делает его более прочным по сравнению с другими фторидными кристаллами. Его относительно умеренный коэффициент преломления также упрощает разработку антибликового покрытия.

--Фторид лития (LiF):

LiF увеличивает пропускание до уровня почти 105 нм и оптимально подходит для применения в экстремальных условиях ВУФ. Однако он гигроскопичен, легко поглощает воду и разрушается при влажных температурах. LiF более мягкий и хрупкий, чем MgF₂, и не идеально подходит для работы в жестких условиях или постоянной установки, за исключением случаев, когда он хорошо экранирован.

--Фторид кальция (CaF₂):

CaF₂ более известен для применения в глубоком ультрафиолете (DUV), а не в настоящем VUV, проходящем до ~125 нм. Он чрезвычайно распространен, относительно дешев и менее чувствителен к влаге, чем LiF. Он не проникает так далеко в ВУФ, как LiF или MgF₂, но все равно используется в системах, сбалансированных по стоимости, долговечности и прозрачности.

Другие вещества, такие как фторид бария (BaF₂) и фторид стронция (SrF₂), также используются в некоторых случаях, хотя они не столь желательны из-за повышенной растворимости и реактивности по отношению к окружающей среде.

Дополнительное чтение: Распространенные фторидные материалы в промышленности

Тонкопленочные материалы для ВУФ-фильтров

В то время как подложки определяют прозрачность подложки, тонкопленочные покрытия определяют спектральную селективность VUV-фильтров. Создание эффективных многослойных покрытий в этой части спектра является непростой задачей, поскольку очень немногие материалы обладают низким поглощением в сочетании с высоким контрастом показателя преломления.

• Фторидные покрытия:

Тонкие пленки MgF₂, LiF и CaF₂ обычно используются в качестве низкоиндексных слоев. Они передают расширенный характер пропускания своих объемных аналогов тонкопленочным стопкам для создания полосовых или краевых фильтров.

• Алюминий (Al):

Алюминий часто используется в качестве отражающего покрытия для зеркал ВУФ-излучения, но также может быть частью конструкции фильтров. Под слоем покрытия алюминий эффективно отражает ВУФ-излучение, что позволяет создавать зеркальные полосовые фильтры.

• Диоксид кремния (SiO₂):

Для VUV возможности SiO₂ ограничены, поскольку его край поглощения находится в районе 160 нм. Тем не менее, он может быть включен в гибридные фильтрующие структуры в случаях, когда нет требований к производительности в глубоких диапазонах длин волн.

Наибольшую сложность представляет достижение равновесия между качеством пленки и контролем толщины слоя. Любые незначительные отклонения по толщине или микроструктурные дефекты будут вносить существенные изменения в кривые пропускания фильтров, учитывая малые длины волн. Поэтому производители должны использовать оборудование для напыления в сверхвысоком вакууме и передовые методы контроля, пытаясь добиться воспроизводимости результатов.

Области применения, определяющие выбор материала

Выбор материала - MgF₂, LiF, CaF₂ или тонкопленочных стеков - в значительной степени зависит от области применения.

• Спектроскопия: Самые глубокие окна отсечки требуются для спектроскопии поглощения ВУФ. Широко используется LiF, единственным требованием является контроль влажности.
• Литография полупроводников: Нанометровые размеры элементов требуют использования оптики в экстремальном ультрафиолете (EUV) и VUV. Окна из MgF₂ и CaF₂ с фтористыми тонкими пленками обеспечивают жесткие, низкодефектные фильтры для этого требовательного рынка.
• Астрономия: ВУФ-спектрометры и космические телескопы используют оптику с покрытием MgF₂, где глубокое пропускание сочетается с вакуумной стабильностью в течение длительного времени.
• Диагностика плазмы: Способность ВУФ-фильтров изолировать эмиссионные линии при изучении плазмы стала возможной благодаря использованию MgF₂ и тяжелых многослойных покрытий.

Заключение

Технология VUV-фильтров напрямую связана с материаловедением. Немногие вещества - в основном фтористые кристаллы и тонкие пленки - устойчивы к суровым условиям этой области спектра.

Фторид магния обеспечивает твердость и долговременное использование, фторид лития позволяет добиться максимальной прозрачности, а фторид кальция предлагает реально оптимальное сочетание стоимости и производительности. Дополнительную информацию можно получить в компании Stanford Advanced Materials (SAM).