複雑な基板形状上の光学薄膜

次世代の低圧化学蒸着 (LPCVD) 光学薄膜コーティング プロセスにより、単一波長、デュアルバンドおよびブロードバンド AR、コールドミラー、ダイクロイック、導電性などの干渉フィルター コーティングの製造が可能になります。 Deposition Sciences, Inc. (DSI) によって設計された強化された薄膜 IsoDyn™ プロセスは、現在、複雑な基板形状上にコンフォーマル コーティングを製造するために使用されています。 この機能により、単純なボール レンズから想像できるほぼあらゆる光学形状に至るまで、複雑な形状に均一な多層コーティングを必要とする無数の新しい用途が可能になります。

300nm から 5μm までの広い波長をカバーする新しい LPCVD 薄膜技術は、新しい光学設計への扉を開きます。 このような設計は、蒸着やスパッタリングなどのより一般的な堆積方法の制限により、過去には考慮されていなかったかもしれません。 これらの成膜方法は、一部の用途には優れていますが、非平面および非対称の光学コンポーネントに対して LPCVD が提供するコンフォーマルな被覆率とコーティングの均一性には匹敵しません (図 1)。

IsoDyn 低圧化学蒸着プロセスは、半導体業界で一般的に使用されている技術に似ています。 ピンホールがなく、粒子が少なく、優れた表面品質を備えた高品質の光学コーティングを生成するように最適化されています。 基板表面のスクラッチ/ディグ品質は蒸着によって劣化せず、表面粗さの低い膜 (つまり < 5nm) を得ることができます。

LPCVD は本質的に、大気圧以下の圧力で気相前駆体から薄膜を堆積するために使用される熱プロセスです。 堆積は、加熱された基板表面上への反応物質の拡散によって起こり、そこで不可逆的な表面反応が起こります。 表面での化学反応は、熱分解 (熱分解)、還元、加水分解、酸化、浸炭、窒化など、考えられる多数のメカニズムのうちの 1 つである可能性があります。 通常 400°C を超える高温の基板は、反応が起こるためのエネルギーを提供します。

LPCVD は、多くの重要かつ有利な点で、蒸着、スパッタリング、さらには常圧化学気相成長 (CVD) などの他の堆積プロセスとは異なります。 蒸着やスパッタリングなどの物理蒸着 (PVD) 技術は、見通し線の形状に限定されており、深く凹んだ形状のコーティングには使用できません。 一方、LPCVD は平均自由行程が小さいため、深く凹んだ形状やチューブを含むあらゆる形状の基板に均一なコーティングを容易に提供できます。 平均自由行程、つまり分子衝突間の平均距離は、PVD よりも LPCVD の方が何桁も小さくなります。 これは、基板に遭遇する前に、気相中の原子と分子の間でさらに多くの衝突が存在することを意味します。 PVD プロセスを説明するために「ビリヤード ボール」モデルがよく使用されますが、CVD はパイプを流れる流体によく似ています。 簡単に言えば、LPCVD を使用すると、すべての露出した表面が「濡れ」ます。 さらに、LPCVD は、PVD に必要な高真空 (超低圧) を必要としません。

大気 CVD と比較すると、LPCVD ではより均一なコンフォーマル コーティングが可能になります。 LPCVD では減圧と高い堆積温度が使用されるため、熱拡散率が大きく、堆積チャンバーの所定の断面内での反応物の均一な分布が容易になります。 流れ条件を適切に考慮することが、CVD プロセスの開発を成功させる鍵の 1 つです (図 2)。 LPCVD は、層流領域内で動作する連続流条件によって特徴付けられます。 リアクターの形状は、LPCVD プロセスのセットアップと最適化において考慮すべき重要な要素です。

LPCVD のこれらの基本特性により、基板のすべての表面を均一に覆う堆積プロセスの開発が可能になります。 この特性により、ミクロンおよびサブミクロンのフィーチャの優れたステップ カバレージが同様に得られるため、半導体業界内で LPCVD が広く使用されるようになりました。 対照的に、PVD プロセスの特徴である大きな平均自由行程と分子ガスの挙動により、主に見通し内堆積が可能になります。

ソース材料として固体ターゲットを使用するスパッタまたは蒸着プロセスとは異なり、CVD プロセスでは、通常は前駆体と呼ばれる多種多様な化合物が利用されます。 CVD の世界では、前駆体には金属水素化物、金属ハロゲン化物、有機金属の 3 つの主要な分類があります。 有機金属 CVD (MOCVD) の領域内には、潜在的な前駆体材料が多数存在します。 実際、スズだけでも 100 を超える有機金属化合物が存在します。 適切な前駆体材料の選択は、LPCVD 堆積の重要な側面です。 ソース前駆体材料の選択における重要な考慮事項には、反応温度、純度要件、反応経路、および材料を適切に蒸発させて基板表面に供給する能力が含まれます。

一部の材料は人、動物、環境に危険を及ぼす可能性があるため、前駆体原料と副生成物を適切に取り扱うことは CVD の重要な側面です。 削減は、多くの場合、非常に高温での副生成物の反応と、それに続く化学的スクラビング、吸収、および/または凝縮技術によって副生成物を流出流から分離することによって達成されます。

CVD 技術を使用して、さまざまな材料が堆積されています。 これらには、金属酸化物、透明導電性酸化物、窒化物、炭化物、半導体、純金属、合成ダイヤモンドが含まれます。 したがって、潜在的なアプリケーションの数は膨大です。 CVD によって生成されたコーティングは、拡散、耐腐食、耐摩耗性のための保護コーティングとして前述の多層干渉スタックや、太陽光発電、半導体、光ファイバーベースのさまざまなシステムで使用できます。

フッ素ドープ酸化スズ (SnO:F)、アルミニウムドープ酸化亜鉛 (ZnO:Al)、酸化アンチモンスズ (SnO:Sb)、インジウムスズなど、幅広い透明導電性酸化物 (TCO) が CVD によって堆積されています。より一般的な材料をいくつか挙げると、酸化物 (ITO) です。 TCO は、可視範囲での優れた透過率を特徴とし、優れた導電性を備えています。 自由キャリア電子が豊富にあるため、シート抵抗が適切に低い場合、これらの材料は赤外線および長波長での反射率が高くなります。 アプリケーションには、電極、帯電防止コーティング、エネルギー効率の高い Low-E ガラス、セキュリティ用途のための RF ブロック コーティングが含まれます。 複雑な形状の基板上でこのような材料を使用することは、システム設計に新しいオプションを提供する将来の成長分野となる可能性があります。

DSI の IsoDyn LPCVD プロセスは、放物面集光器、ドーム光学系、ボール レンズ、光ファイバー、チューブ、その他の非平面基板など、多種多様な表面のコーティングに成功しています。 DSI は、ボール レンズ上の高品質のコンフォーマル AR コーティングに関して通信/データ通信業界で豊富な経験を持っています (図 3)。 LPCVD プロセスによって生成された AR コーティングは、各ボール レンズを 100% カバーし、方向性を考慮する必要がありません。 これにより、通常 1.30μm ～ 1.57μm の波長範囲で動作する光ファイバカプラ/コリメータの組み立てに関連する製造コストが削減されます。

今日、ボールレンズはファイバーカップリングを超えた新しい分野で用途を見出しています。 関心が高まっている分野の 1 つは、集中型太陽光発電 (CPV) 発電の分野です。 ミラーアレイの中心に配置された大口径ボールレンズを使用して、太陽エネルギーを高効率太陽電池に集中させることができます。 このシステムはボール レンズの光学特性を利用して、拡散光をコリメートしてしっかりと集束したビームにします。 反射防止コーティングを適用すると、反射率損失を最小限に抑えてシステム効率を最大 6.5% 向上させることができます。 IsoDyn LPCVD プロセスは、200μm ～ 200mm のサイズのボール レンズをシングル、デュアルバンド、ブロードバンド AR コーティングでコーティングすることができ、より複雑な光学フィルター設計も可能です。

LPCVD プロセスは、DSI によって、幅広いコンポーネントの形状をカバーするさまざまな反射板アプリケーションにも採用されています。 反射板に堆積されるコーティングは、広帯域可視コールドミラー設計、短波長パス、長波長パス、およびダイクロイックフィルターに及びます。 最大 8 インチ × 12 インチの部品サイズを処理できる機能が存在します。

300nm ～ 5μm のスペクトル帯域をカバーするコーティングを生成する新しい機能は、幅広い光学薄膜設計を網羅します。 可視範囲では、広帯域 AR、短波パス、長波パス、コールド ミラー (図 4)、およびダイクロイック フィルターの設計がうまく採用されています。 シングル、デュアル、ブロードバンド AR コーティングは、BK7 からサファイアやキュービック ジルコニアまでの屈折率の基板上の 1310nm/1550nm の通信波長でも利用できます。 さらに、広帯域ソーラー (400nm ～ 1700nm) AR コーティングやホットミラーもさまざまな基板に適用できます。 場合によっては、VIS と中波赤外 (MWIR) スペクトル帯域の両方に対する AR コーティングなど、複数のスペクトル領域にわたるパフォーマンスを達成できる場合があります。

独自の LPCVD プロセスで製造された薄膜光学コーティングは、非常に過酷な動作環境でも使用できます。 このプロセスで生成されるコーティングは、ほとんどの動作環境において熱的に安定で化学的に不活性であり、最大 850°C までの使用温度が実証されています。 基材および層界面との強力な共有結合の結果、機械的耐久性と接着力が優れています。 IsoDyn プロセスは、ほぼすべての光学ガラス、結晶材料、セラミック、金属のコーティングに役立ちます。

高度な IsoDyn コーティング プロセスは、LPCVD 蒸着の基本的な利点を利用して、非平面および非対称の光学コンポーネントにコンフォーマルで欠陥の少ない薄膜コーティングを提供します。 LPCVD プロセスの利点は半導体業界で長年活用されてきましたが、現在では新しい光学システム設計の新たな機会を提供しています。 単一波長、デュアルバンドおよびブロードバンドAR、コールドミラー、ホットミラー、長波長/短波長パス、ダイクロイック、導電性用の新しい干渉フィルターコーティングが利用可能です。 IsoDyn プロセスを使用して堆積されたコーティングは非常に堅牢で、最も要求の厳しい動作環境でも機能します。

この記事は、Process Engineer Deposition Sciences, Inc. (DSI) (カリフォルニア州サンタローザ) の David McLean によって書かれました。 詳細については、[email protected] でマクリーン氏に問い合わせるか、www.depsci.com にアクセスしてください。

この記事は、Photonics Tech Briefs Magazine の 2013 年 3 月号に初めて掲載されました。

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