真空紫外（VUV）フィルターの重要材料

真空紫外（VUV）オプティクスは、現代のフォトニクスにおいて、小さいながらも急速に拡大しつつあるニッチを占めている。薄膜コーティングやバルクウィンドウ基板など、VUVフィルターに応用される重要な材料について説明します。材料の選択がいかにフィルターの性能と長期信頼性に直接的な影響を与えるかについて、理解を深めていただければ幸いです。

VUV透明性への挑戦

材料の話に入る前に、なぜVUV光学部品が特別に難しいのかについて触れておく必要があります。この波長域の大半の材料では、電子遷移がVUV放射の光子エネルギーに非常に近く、吸収が激しい。現実的に120nm以下の高波長を透過できるのは、一部の結晶性フッ化物と一部のコーティングだけである。同時に、これらの材料は、高エネルギー放射線、潜在的な反応条件への暴露、高出力光学システムでの熱サイクルに対する耐性が必要である。そのため、この分野は限られた候補になる。

窓基板としてのフッ化物結晶

バルクの窓材料では、アルカリ土類金属とアルカリハロゲン化物のフッ化物が支配的である。フッ化物はバンドギャップが広く、紫外域まで透過するが、物理的・機械的特性は比較的安定している。

--フッ化マグネシウム（MgF₂）：

MgF₂は最も広く使われているVUVウィンドウ材料の一つ。約115nmまで透過し、大半の分光およびリソグラフィーシステムで利用できる。MgF₂は十分な機械的強度と耐湿性を持ち、他のフッ化物結晶に比べてより堅牢です。また、その比較的適度な屈折率は、反射防止コーティングの設計を簡素化する。

--フッ化リチウム（LiF）：

フッ化リチウム（LiF）：105nm近くまで透過率を下げ、極端なVUVアプリケーションに最適です。しかし、吸湿性があり、容易に水を吸収し、湿度の高い温度で劣化する。LiFはMgF₂よりも柔らかく壊れやすいため、十分にシールドされている場合を除き、過酷な環境や恒久的な設置には理想的に適していません。

--フッ化カルシウム（CaF₂）：

フッ化カルシウム（CaF₂）：CaF₂は、真のVUVアプリケーションよりもむしろ深紫外（DUV）アプリケーションでよく知られており、～125nmまで通過する。非常に普及しており、比較的安価で、LiFよりも湿気に弱い。LiFやMgF₂ほどVUVには浸透しませんが、それでもコスト、耐久性、透明性のバランスの取れたシステムで使用されています。

フッ化バリウム（BaF₂）やフッ化ストロンチウム（SrF₂）のような他の物質も特定の用途で発生するが、これらは溶解性が高く、周囲に対する反応性が高く、それほど望ましいものではない。

さらに読む：工業用途における一般的なフッ化物材料

VUVフィルター用薄膜材料

基板が透明基板を定義する一方で、薄膜コーティングはVUVフィルターの分光選択性を定義する。低吸収と高屈折率コントラストを併せ持つ材料はほとんどないため、このスペクトル領域で効果的な多層膜スタックを構築することは非常に困難である。

• フッ化物コーティング：

MgF₂、LiF、CaF₂薄膜は一般的に低指数層として使用される。これらの薄膜は、バンドパスやエッジフィルタを作成するために、バルクの透過率特性を薄膜スタックに伝達する。

• アルミニウム（Al）：

アルミニウムはVUVミラーの反射膜としてよく利用されるが、フィルター設計の一部にもなりうる。オーバーコートの下で、アルミニウムはVUVでの反射に効果的で、ミラーベースのバンドパスフィルターを可能にする。

• 二酸化ケイ素（SiO₂）：

SiO₂の吸収端は160nm付近であるため、VUVには限界がある。それでも、最も深い波長への性能要求がない場合には、ハイブリッドフィルター構造に含めることができる。

最大の課題は、膜質と層厚制御の均衡を達成することである。わずかな膜厚のばらつきや微細構造の欠陥は、関係する波長が小さいことを考えると、フィルター透過率曲線に大きな変化をもたらす。そのため、製造者は超高真空蒸着装置と高度なモニタリング技術を駆使して、再現性を高める努力をしなければなりません。

材料選択を決定するアプリケーション

MgF₂、LiF、CaF₂、薄膜スタックのいずれを使用するかの選択は、アプリケーションに大きく依存する。

• 分光学：VUV吸収分光法では最も深いカットオフウィンドウが要求される。LiFが広く使用され、湿度管理が唯一の要件。
• 半導体リソグラフィー：ナノメートルのフィーチャーサイズは、極端紫外線（EUV）とVUV光学系の使用を要求する。フッ化物薄膜を持つMgF₂とCaF₂ウィンドウは、この要求の厳しい市場に硬質で低欠陥のフィルターを提供する。
• 天文学：VUV分光計と宇宙望遠鏡は、深い透過率が長期にわたる真空安定性と一致するMgF₂コーティング光学部品を利用している。
• プラズマ診断：プラズマを研究する際に、VUVフィルターが発光線を分離する能力は、MgF₂と重い多層膜コーティングの使用によって可能になる。

結論

VUVフィルターの技術は材料科学と直結している。フッ化物の結晶や薄膜など、このスペクトルの領域の過酷な条件に耐性を持つ物質はほとんどない。

フッ化マグネシウムは硬度と長期使用性を提供し、フッ化リチウムは最大限の透明性を可能にし、フッ化カルシウムはコストと性能の現実的に最適な組み合わせを提供する。詳しくはスタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）をご覧ください。