진공 자외선(VUV) 필터용 핵심 재료

진공 자외선(VUV) 광학은 현대 포토닉스에서 작지만 빠르게 성장하는 틈새 시장을 차지하고 있습니다. 박막 코팅과 벌크 윈도우 기판을 포함하여 VUV 필터에 적용되는 중요한 재료에 대해 설명합니다. 소재 선택이 필터 성능과 장기적인 신뢰성에 어떤 직접적인 영향을 미치는지 더 잘 이해할 수 있기를 바랍니다.

VUV 투명성의 도전 과제

소재에 대해 알아보기 전에 VUV 광학이 특히 어려운 이유에 대해 언급해야 합니다. 이 파장 범위의 대부분의 소재는 전자 전이가 VUV 방사선의 광자 에너지에 매우 가까워서 흡수가 심합니다. 일부 결정형 불화물과 일부 코팅에서만 120nm 이하까지 현실적으로 투과할 수 있습니다. 동시에 이러한 재료는 고에너지 방사선, 반응 조건에 대한 잠재적 노출, 고출력 광학 시스템에서의 열 순환에 대한 내성이 있어야 합니다. 따라서 이 분야는 제한된 후보군으로 분류됩니다.

창 기판으로서의 불소 결정

벌크 윈도우 소재 중 알칼리토와 알칼리할라이드 불화물이 가장 많이 사용됩니다. 이들은 넓은 밴드갭을 가지고 있어 VUV를 잘 투과하지만 비교적 안정적인 물리적 및 기계적 특성을 제공합니다.

-불화 마그네슘(MgF₂):

MgF₂는 가장 널리 사용되는 VUV 창 소재 중 하나입니다. 약 115nm까지 투과되며 대부분의 분광학 및 리소그래피 시스템에서 활용될 수 있습니다. MgF₂는 적절한 기계적 강도와 습기에 대한 저항성을 가지고 있어 다른 불소 결정에 비해 더 견고합니다. 또한 굴절률이 비교적 적당하여 반사 방지 코팅 설계를 간소화합니다.

--리튬 플루오르화물(LiF):

LiF는 투과율을 거의 105nm까지 낮추며 극자외선(VUV) 애플리케이션에 최적으로 적합합니다. 하지만 흡습성이 있어 물을 쉽게 흡수하고 습한 온도에서 성능이 저하됩니다. LiF는 MgF₂보다 부드럽고 깨지기 쉬우므로 차폐가 잘 된 경우를 제외하고는 열악한 환경이나 영구 설치에 적합하지 않습니다.

--불화칼슘(CaF₂):

CaF₂는 최대 ~125nm까지 통과하는 진정한 VUV 적용보다는 심자외선(DUV)에 더 잘 알려져 있습니다. 매우 널리 퍼져 있고 상대적으로 저렴하며 LiF보다 수분에 덜 민감합니다. LiF나 MgF₂만큼 VUV까지 투과하지는 못하지만 비용, 내구성, 투명도 균형을 고려한 시스템에서 여전히 사용되고 있습니다.

불화 바륨(BaF₂) 및 불화 스트론튬(SrF₂)과 같은 다른 물질도 특정 용도로 사용되지만 용해도와 주변 환경에 대한 반응성이 높아 바람직하지는 않습니다.

더 자세히 알아보기: 산업용 애플리케이션에 사용되는 일반적인 불소 재료

VUV 필터용 박막 재료

기판이 투명 기판을 정의하는 반면, 박막 코팅은 VUV 필터의 스펙트럼 선택성을 정의합니다. 스펙트럼의 이 부분에서 효과적인 다층 스택을 구성하는 것은 높은 굴절률 대비와 함께 낮은 흡수를 가진 재료가 거의 없기 때문에 매우 어려운 것으로 악명이 높습니다.

• 불소 코팅:

MgF₂, LiF 및 CaF₂ 박막은 일반적으로 저지수 층으로 사용됩니다. 이들은 벌크 대응 물질의 확장된 투과 특성을 박막 스택으로 전달하여 대역 통과 또는 에지 필터를 생성하는 데 도움을 줍니다.

• 알루미늄(Al):

알루미늄은 VUV 미러의 반사 코팅으로 자주 사용되지만 필터 설계의 일부가 될 수도 있습니다. 오버코트 아래에서 알루미늄은 VUV를 반사하는 데 효과적이어서 거울 기반 대역 통과 필터를 만들 수 있습니다.

• 이산화규소(SiO₂):

VUV의 경우 SiO₂는 흡수 에지가 약 160nm이기 때문에 사용이 제한적입니다. 하지만 가장 깊은 파장에 대한 성능 요구 사항이 없는 경우 하이브리드 필터 구조에 포함될 수 있습니다.

가장 큰 과제는 필름 품질과 층 두께 제어 사이의 균형을 맞추는 것입니다. 작은 두께 변화나 미세한 구조적 결함은 작은 파장을 고려할 때 필터 투과 곡선에 상당한 변화를 가져올 수 있습니다. 따라서 제작자는 재현성을 높이기 위해 초고진공 증착 장비와 고급 모니터링 기술을 사용해야 합니다.

재료 선택을 결정하는 애플리케이션

MgF₂, LiF, CaF₂ 또는 박막 스택을 사용할지 여부는 용도에 따라 크게 달라집니다.

• 분광학: VUV 흡수 분광법에서는 가장 깊은 컷오프 윈도우가 필요합니다. 습도 조절이 유일한 요구 사항인 LiF가 널리 사용됩니다.
• 반도체 리소그래피: 나노미터 피처 크기에는 극자외선(EUV) 및 VUV 광학 장치를 사용해야 합니다. 불소 박막을 사용한 MgF₂ 및 CaF₂ 윈도우는 이 까다로운 시장에 딱딱하고 결함이 적은 필터를 제공합니다.
• 천문학: VUV 분광기 및 우주 망원경은 장기적으로 진공 안정성과 깊은 투과율이 일치하는 MgF₂ 코팅 옵틱을 사용합니다.
• 플라즈마 진단: 플라즈마를 연구할 때 방출선을 분리하는 VUV 필터의 기능은 MgF₂와 두꺼운 다층 코팅을 사용하여 가능해졌습니다.

결론

VUV 필터의 기술은 재료 과학과 직접적으로 연결되어 있습니다. 이 스펙트럼 영역의 가혹한 조건에 견디는 물질(본질적으로 불소 결정과 박막)은 거의 없습니다.

불화 마그네슘은 경도와 장기적인 사용성을 제공하고, 불화 리튬은 투명성을 극대화하며, 불화 칼슘은 비용과 성능의 현실적인 최적 조합을 제공합니다. 자세한 내용은 Stanford Advanced Materials (SAM)에서 확인하세요.