Matériaux critiques pour le filtre à ultraviolet sous vide (VUV)

L'optique ultraviolette sous vide (VUV) occupe un créneau restreint mais en pleine expansion dans la photonique moderne. Nous discuterons des matériaux critiques qui trouvent leur application dans les filtres VUV, y compris les revêtements en couches minces et les substrats de fenêtres en vrac. Nous espérons que vous comprendrez mieux comment la sélection des matériaux a un impact direct sur les performances et la fiabilité à long terme des filtres.

Le défi de la transparence VUV

Avant d'aborder les matériaux, il convient d'expliquer pourquoi les optiques VUV sont si difficiles à réaliser. Pour la majorité des matériaux dans cette gamme de longueurs d'onde, les transitions électroniques sont si proches de l'énergie des photons du rayonnement VUV qu'il y a une forte absorption. Ce n'est que dans certains fluorures cristallins et certains revêtements que l'on peut raisonnablement transmettre jusqu'à 120 nm ou moins. En même temps, ces matériaux doivent être résistants aux rayonnements de haute énergie, à l'exposition potentielle à des conditions réactives et aux cycles thermiques dans les systèmes optiques de haute puissance. Le champ d'application devient donc un ensemble limité de candidats.

Les cristaux de fluorure comme substrats de fenêtre

Parmi les matériaux de fenêtre en vrac, les fluorures alcalino-terreux et les halogénures alcalins dominent. Ils ont de larges bandes interdites qui leur permettent de transmettre dans le VUV, tout en offrant des propriétés physiques et mécaniques relativement stables.

--Fluorure de magnésium (MgF₂) :

LeMgF₂ est l'un des matériaux les plus utilisés pour les fenêtres VUV. Il est transmis jusqu'à environ 115 nm et peut être utilisé dans la majorité des systèmes de spectroscopie et de lithographie. Le MgF₂ présente une résistance mécanique et une résistance à l'humidité adéquates, ce qui le rend plus robuste que d'autres cristaux de fluorure. Son indice de réfraction relativement modéré simplifie également la conception de revêtements antireflets.

--Fluorure de lithium (LiF) :

Le LiF étend la transmission jusqu'à près de 105 nm et convient parfaitement aux applications VUV extrêmes. Cependant, il est hygroscopique, absorbe facilement l'eau et se détériore à des températures humides. Le LiF est plus mou et plus fragile que le MgF₂ et ne convient pas idéalement aux environnements difficiles ou aux installations permanentes, sauf s'il est bien protégé.

--Fluorure de calcium (CaF₂) :

Le CaF₂ est mieux connu pour ses applications dans l'ultraviolet profond (DUV) que dans le VUV proprement dit, passant jusqu'à ~125 nm. Il est extrêmement répandu, relativement bon marché et moins sensible à l'humidité que le LiF. Il ne pénètre pas aussi loin dans le VUV que le LiF ou le MgF₂, mais il est toujours utilisé dans des systèmes équilibrés en termes de coût, de durabilité et de transparence.

D'autres substances telles que le fluorure de baryum (BaF₂) et le fluorure de strontium (SrF₂) sont également utilisées dans certaines applications, bien qu'elles ne soient pas aussi souhaitables en raison de leur solubilité et de leur réactivité accrues vis-à-vis de l'environnement.

Pour en savoir plus : Matériaux fluorés courants dans les applications industrielles

Matériaux en couches minces pour les filtres VUV

Alors que les substrats définissent le substrat transparent, les revêtements en couches minces définissent la sélectivité spectrale des filtres VUV. La construction d'empilements multicouches efficaces dans cette partie du spectre est notoirement difficile car très peu de matériaux possèdent une faible absorption combinée à un contraste d'indice de réfraction élevé.

• Revêtements fluorés :

Les films minces de MgF₂, LiF et CaF₂ sont généralement utilisés comme couches à faible indice. Ils transfèrent le caractère de transmission étendue de leurs homologues en vrac aux empilements de films minces pour aider à créer des filtres passe-bande ou des filtres de bord.

• Aluminium (Al) :

L'aluminium est fréquemment utilisé comme revêtement réfléchissant pour les miroirs VUV, mais il peut également faire partie de la conception des filtres. Sous un revêtement, l'aluminium est efficace pour réfléchir dans le VUV, ce qui permet de créer des filtres passe-bande à base de miroirs.

• Dioxyde de silicium (SiO₂) :

Pour le VUV, SiO₂ est limité car son bord d'absorption se situe autour de 160 nm. Il peut néanmoins être inclus dans les structures de filtres hybrides lorsqu'il n'y a pas d'exigences de performance pour les longueurs d'onde les plus profondes.

Le plus grand défi consiste à trouver un équilibre entre la qualité du film et le contrôle de l'épaisseur de la couche. Toute légère variation de l'épaisseur ou tout défaut microstructurel entraînera des changements substantiels dans les courbes de transmission des filtres, compte tenu des faibles longueurs d'onde concernées. Les fabricants doivent donc utiliser des équipements de dépôt sous ultravide et des techniques de contrôle avancées pour tenter de les rendre reproductibles.

Applications déterminant le choix du matériau

Le choix d'utiliser du MgF₂, du LiF, du CaF₂ ou des empilements de couches minces dépend fortement de l'application.

• Spectroscopie : Les fenêtres de coupure les plus profondes sont nécessaires pour la spectroscopie d'absorption VUV. Le LiF est largement utilisé, le contrôle de l'humidité étant la seule exigence.
• Lithographie des semi-conducteurs : Les caractéristiques de taille nanométrique exigent l'utilisation d'optiques dans l'ultraviolet extrême (EUV) et le VUV. Les fenêtres en MgF₂ et CaF₂ avec des couches minces de fluorure fournissent des filtres durs et à faible défaut pour ce marché exigeant.
• Astronomie : Les spectromètres VUV et les télescopes spatiaux utilisent des optiques revêtues de MgF₂, où la transmission profonde va de pair avec la stabilité du vide à long terme.
• Diagnostic des plasmas : La capacité des filtres VUV à isoler les lignes d'émission lors de l'étude des plasmas est rendue possible par l'utilisation de MgF₂ et de revêtements multicouches lourds.

Conclusion

La technologie des filtres VUV est directement liée à la science des matériaux. Peu de substances - essentiellement des cristaux de fluorure et des films minces - résistent aux conditions difficiles de cette région du spectre.

Le fluorure de magnésium assure la dureté et l'utilisabilité à long terme, le fluorure de lithium permet une transparence maximale et le fluorure de calcium offre un mélange optimal de coût et de performance. Pour plus d'informations, veuillez consulter le site Stanford Advanced Materials (SAM).