Materiales críticos para el filtro ultravioleta de vacío (VUV)

La óptica ultravioleta al vacío (VUV) ocupa un nicho pequeño pero en rápida expansión en la fotónica actual. Hablaremos de los materiales críticos que encuentran aplicación en los filtros VUV, incluidos los recubrimientos de película fina y los sustratos de ventana a granel. Esperamos que pueda comprender mejor cómo la selección del material repercute directamente en el rendimiento del filtro y en su fiabilidad a largo plazo.

El reto de la transparencia VUV

Antes de pasar a los materiales, hay que mencionar por qué la óptica VUV es tan específicamente difícil. En la mayoría de los materiales de esta gama de longitudes de onda, las transiciones electrónicas están tan cerca de la energía fotónica de la radiación VUV que se produce una fuerte absorción. Sólo en algunos fluoruros cristalinos y algunos revestimientos se puede transmitir de forma realista hasta 120 nm o menos. Al mismo tiempo, estos materiales tienen que ser resistentes a la radiación de alta energía, a la exposición potencial a condiciones reactivas y a los ciclos térmicos en sistemas ópticos de alta potencia. El campo se convierte así en un conjunto limitado de candidatos.

Cristales de fluoruro como sustratos para ventanas

Entre los materiales a granel para ventanas, predominan los fluoruros alcalinotérreos y los haluros alcalinos. Poseen amplios huecos de banda que les permiten transmitir bien en el VUV, pero ofrecen propiedades físicas y mecánicas comparativamente estables.

--Fluoruro de magnesio (MgF₂):

El MgF₂ es uno de los materiales para ventanas VUV más utilizados. Transmite hasta unos 115 nm y puede utilizarse en la mayoría de los sistemas de espectroscopia y litografía. El MgF₂ tiene una resistencia mecánica y a la humedad adecuadas, lo que lo hace más robusto que otros cristales de fluoruro. Su índice de refracción relativamente moderado también simplifica el diseño del revestimiento antirreflectante.

--Fluoruro de litio (LiF):

El LiF amplía la transmisión hasta casi 105 nm y es idóneo para aplicaciones VUV extremas. Sin embargo, es higroscópico, absorbe fácilmente el agua y se deteriora a temperaturas húmedas. El LiF es más blando y frágil que el MgF₂ y no es ideal para entornos duros o instalaciones permanentes, excepto cuando está bien protegido.

--Fluoruro de calcio (CaF₂):

El CaF₂ es más conocido por su aplicación en el ultravioleta profundo (DUV) que en el VUV verdadero, pasando hasta ~125 nm. Es muy frecuente, relativamente barato y menos sensible a la humedad que el LiF. No penetra tanto en el VUV como el LiF o el MgF₂, pero se sigue utilizando en sistemas de coste, durabilidad y transparencia equilibrados.

Otras sustancias como el fluoruro de bario (BaF₂) y el fluoruro de estroncio (SrF₂) también aparecen en ciertos usos, aunque no son tan deseables por su mayor solubilidad y reactividad frente al entorno.

Más información: Materiales fluorados comunes en aplicaciones industriales

Materiales de película fina para filtros VUV

Mientras que los sustratos definen el sustrato transparente, los recubrimientos de película fina definen la selectividad espectral de los filtros VUV. Construir pilas multicapa eficaces en esta parte del espectro es notoriamente difícil porque muy pocos materiales poseen una baja absorción combinada con un alto contraste del índice de refracción.

• Revestimientos de fluoruro:

Las películas finas de MgF₂, LiF y CaF₂ se utilizan generalmente como capas de bajo índice. Transfieren el carácter de transmisión ampliada de sus homólogos a granel a pilas de películas finas para ayudar a crear filtros de paso de banda o de borde.

• Aluminio (Al):

El aluminio se utiliza con frecuencia como revestimiento reflectante para espejos VUV, pero también puede formar parte del diseño de filtros. Bajo un recubrimiento, el Al es eficaz para reflejar el VUV, lo que permite crear filtros de paso de banda basados en espejos.

• Dióxido de silicio (SiO₂):

Para el VUV, el SiO₂ es limitado, ya que su borde de absorción se sitúa en torno a los 160 nm. Aun así, puede incluirse en estructuras de filtros híbridos en los casos en que no haya requisitos de rendimiento en las longitudes de onda más profundas.

El mayor reto es lograr un equilibrio entre la calidad de la película y el control del grosor de la capa. Cualquier ligera variación del grosor o defecto microestructural introducirá cambios sustanciales en las curvas de transmisión del filtro, dadas las pequeñas longitudes de onda de que se trata. Por ello, los fabricantes deben utilizar equipos de deposición al vacío ultraalto y técnicas de control avanzadas para intentar que sea reproducible.

Aplicaciones que determinan la elección del material

La elección de utilizar MgF₂, LiF, CaF₂ o pilas de películas finas depende en gran medida de la aplicación.

• Espectroscopia: Las ventanas de corte más profundas son las que requiere la espectroscopia de absorción VUV. El LiF es ampliamente utilizado, siendo el control de la humedad el único requisito.
• Litografía de semiconductores: Los tamaños nanométricos exigen el uso de ópticas ultravioleta extremo (EUV) y VUV. Las ventanas de MgF₂ y CaF₂ con películas finas de fluoruro proporcionan filtros duros y con pocos defectos para este exigente mercado.
• Astronomía: Los espectrómetros VUV y los telescopios espaciales utilizan ópticas recubiertas de MgF₂, donde la transmisión profunda se combina con la estabilidad en vacío a largo plazo.
• Diagnóstico de plasma: La capacidad de los filtros VUV para aislar las líneas de emisión al estudiar el plasma es posible gracias al uso de MgF₂ y revestimientos multicapa pesados.

Conclusión

La tecnología de los filtros VUV está directamente relacionada con la ciencia de los materiales. Pocas sustancias -esencialmente cristales de fluoruro y películas finas- resisten las duras condiciones de esta región del espectro.

El fluoruro de magnesio proporciona dureza y facilidad de uso a largo plazo, el fluoruro de litio permite la máxima transparencia y el fluoruro de calcio ofrece una combinación realmente óptima de coste y rendimiento. Para más información, consulte Stanford Advanced Materials (SAM).