Kritische Materialien für Vakuum-Ultraviolett (VUV)-Filter

Die Vakuum-Ultraviolett-Optik (VUV) nimmt eine kleine, aber schnell wachsende Nische in der modernen Photonik ein. Wir werden die kritischen Materialien erörtern, die in VUV-Filtern zum Einsatz kommen, einschließlich Dünnfilmbeschichtungen und Bulk-Fenstersubstrate. Wir hoffen, dass Sie besser verstehen können, wie sich die Materialauswahl direkt auf die Filterleistung und die langfristige Zuverlässigkeit auswirkt.

Die Herausforderung der VUV-Transparenz

Bevor wir uns mit den Materialien befassen, sollte erwähnt werden, warum VUV-Optiken so besonders schwierig sind. Bei den meisten Materialien in diesem Wellenlängenbereich liegen die elektronischen Übergänge so nahe an der Photonenenergie der VUV-Strahlung, dass es zu einer starken Absorption kommt. Nur bei einigen kristallinen Fluoriden und einigen Beschichtungen kann man realistischerweise bis zu 120 nm oder weniger durchlassen. Gleichzeitig müssen diese Materialien gegen energiereiche Strahlung, mögliche reaktive Bedingungen und thermische Wechselwirkungen in optischen Hochleistungssystemen beständig sein. Die Zahl der in Frage kommenden Materialien ist daher begrenzt.

Fluoridkristalle als Fenstersubstrate

Unter den Fenstermaterialien dominieren die Erdalkali- und Alkalihalogenidfluoride. Sie haben eine große Bandlücke, die es ihnen ermöglicht, bis in den VUV-Bereich zu transmittieren, und bieten gleichzeitig vergleichsweise stabile physikalische und mechanische Eigenschaften.

--Magnesiumfluorid (MgF₂):

MgF₂ ist eines der am häufigsten verwendeten VUV-Fenstermaterialien. Es ist bis zu 115 nm durchlässig und kann in einer Vielzahl von Spektroskopie- und Lithografiesystemen eingesetzt werden. MgF₂ besitzt eine angemessene mechanische Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Feuchtigkeit, was es im Vergleich zu anderen Fluoridkristallen robuster macht. Sein relativ moderater Brechungsindex vereinfacht auch die Entwicklung von Antireflexionsbeschichtungen.

-Lithiumfluorid (LiF):

LiF ermöglicht eine Durchlässigkeit bis hinunter zu fast 105 nm und ist optimal für extreme VUV-Anwendungen geeignet. Allerdings ist es hygroskopisch, absorbiert leicht Wasser und verschlechtert sich bei feuchten Temperaturen. LiF ist weicher und zerbrechlicher als MgF₂ und eignet sich nicht ideal für raue Umgebungen oder dauerhafte Installationen, es sei denn, es ist gut abgeschirmt.

--Calciumfluorid (CaF₂):

CaF₂ ist eher für tiefes Ultraviolett (DUV) als für echte VUV-Anwendungen bekannt und reicht bis zu ~125 nm. Es ist extrem weit verbreitet, relativ billig und weniger feuchtigkeitsempfindlich als LiF. Es dringt nicht so weit in das VUV ein wie LiF oder MgF₂, wird aber immer noch in Systemen verwendet, die in Bezug auf Kosten, Haltbarkeit und Transparenz ausgewogen sind.

Andere Stoffe wie Bariumfluorid (BaF₂) und Strontiumfluorid (SrF₂) kommen ebenfalls in bestimmten Anwendungen vor, sind jedoch aufgrund ihrer erhöhten Löslichkeit und Reaktivität gegenüber der Umgebung nicht so erwünscht.

Weitere Lektüre: Gängige Fluoridmaterialien in industriellen Anwendungen

Dünnschichtmaterialien für VUV-Filter

Während Substrate das transparente Substrat definieren, bestimmen Dünnfilmbeschichtungen die spektrale Selektivität von VUV-Filtern. Die Konstruktion effektiver Mehrschichtstapel in diesem Teil des Spektrums ist bekanntermaßen schwierig, da nur sehr wenige Materialien eine geringe Absorption in Kombination mit einem hohen Brechungsindexkontrast aufweisen.

• Fluorid-Beschichtungen:

MgF₂-, LiF- und CaF₂-Dünnschichten werden im Allgemeinen als Schichten mit niedrigem Index verwendet. Sie übertragen den erweiterten Transmissionscharakter ihrer massiven Gegenstücke auf Dünnschichtstapel, um Bandpass- oder Kantenfilter zu schaffen.

• Aluminium (Al):

Aluminium wird häufig als reflektierende Beschichtung für VUV-Spiegel verwendet, kann aber auch Teil des Filterdesigns sein. Unter einer Beschichtung reflektiert Al effektiv im VUV und ermöglicht so spiegelbasierte Bandpassfilter.

• Siliziumdioxid (SiO₂):

Für das VUV ist SiO₂ nur begrenzt geeignet, da seine Absorptionskante bei 160 nm liegt. Dennoch kann es in hybriden Filterstrukturen eingesetzt werden, wenn keine Leistungsanforderungen in den tiefsten Wellenlängenbereich bestehen.

Die größte Herausforderung besteht darin, ein Gleichgewicht zwischen Schichtqualität und Kontrolle der Schichtdicke zu erreichen. Geringfügige Abweichungen in der Schichtdicke oder mikrostrukturelle Defekte führen angesichts der kleinen Wellenlängen zu erheblichen Veränderungen in den Transmissionskurven der Filter. Die Hersteller müssen daher Ultrahochvakuum-Beschichtungsanlagen und fortschrittliche Überwachungstechniken einsetzen, um die Reproduzierbarkeit zu gewährleisten.

Anwendungen, die die Wahl des Materials bestimmen

Die Entscheidung, ob MgF₂, LiF, CaF₂ oder Dünnschichtstapel verwendet werden sollen, hängt stark von der Anwendung ab.

• Spektroskopie: Die tiefsten Cut-Off-Fenster werden für die VUV-Absorptionsspektroskopie benötigt. LiF ist weit verbreitet, wobei die Kontrolle der Luftfeuchtigkeit die einzige Anforderung ist.
• Halbleiterlithographie: Die Größe der Merkmale im Nanometerbereich erfordert den Einsatz von EUV- und VUV-Optiken (Extrem Ultraviolet). MgF₂- und CaF₂-Fenster mit Fluorid-Dünnschichten bieten harte, defektarme Filter für diesen anspruchsvollen Markt.
• Astronomie: In VUV-Spektrometern und Weltraumteleskopen werden MgF₂-beschichtete Optiken eingesetzt, bei denen eine hohe Transmission mit langfristiger Vakuumstabilität kombiniert wird.
• Plasma-Diagnostik: Die Fähigkeit von VUV-Filtern, Emissionslinien bei der Untersuchung von Plasmen zu isolieren, wird durch den Einsatz von MgF₂ und schweren Mehrschichtbeschichtungen ermöglicht.

Schlussfolgerung

Die Technologie der VUV-Filter ist direkt mit der Materialwissenschaft verbunden. Nur wenige Stoffe - im Wesentlichen Fluoridkristalle und dünne Filme - sind gegen die harten Bedingungen in diesem Bereich des Spektrums resistent.

Magnesiumfluorid bietet Härte und langfristige Nutzbarkeit, Lithiumfluorid ermöglicht maximale Transparenz, und Kalziumfluorid bietet eine realistisch optimale Mischung aus Kosten und Leistung. Weitere Informationen finden Sie bei Stanford Advanced Materials (SAM).