Películas finas ópticas sobre geometrías de sustrato complejas

Un proceso de recubrimiento óptico de película delgada de deposición de vapor químico a baja presión (LPCVD) de próxima generación permite la fabricación de recubrimientos de filtro de interferencia, como longitud de onda única, banda dual y AR de banda ancha, espejo frío, dicroico y conductivo. El proceso IsoDyn™ de película delgada mejorado, diseñado por Deposition Sciences, Inc. (DSI) ahora se está utilizando para producir revestimientos de conformación en geometrías de sustrato complejas. Esta capacidad permite una miríada de nuevas aplicaciones que pueden requerir recubrimientos multicapa uniformes en formas complejas, que van desde simples lentes esféricos hasta casi cualquier forma óptica imaginable.

Con una amplia cobertura de longitud de onda de 300 nm a 5 μm, la nueva tecnología de película delgada LPCVD abre la puerta a nuevos diseños ópticos. Es posible que estos diseños no se hayan considerado en el pasado debido a las limitaciones de los métodos de deposición más comunes, como la evaporación o la pulverización catódica. Si bien son excelentes para algunas aplicaciones, estos métodos de deposición no pueden igualar la cobertura conforme y la uniformidad del recubrimiento que ofrece LPCVD para componentes ópticos no planos y asimétricos (Figura 1).

El proceso de deposición de vapor químico a baja presión IsoDyn es similar a la tecnología comúnmente utilizada en la industria de los semiconductores. Ha sido optimizado para producir recubrimientos ópticos de alta calidad, sin microperforaciones y con bajo contenido de partículas, con una calidad de superficie excelente. La calidad de rayado/excavación de la superficie de un sustrato no se degrada por la deposición y se pueden obtener películas de baja rugosidad superficial (es decir, < 5 nm).

LPCVD es esencialmente un proceso térmico utilizado para depositar películas delgadas a partir de precursores en fase gaseosa a presiones subatmosféricas. La deposición ocurre por difusión de reactivos sobre una superficie de sustrato caliente, donde tiene lugar una reacción superficial irreversible. La reacción química en la superficie podría ser uno de varios mecanismos posibles, incluida la descomposición térmica (pirólisis), la reducción, la hidrólisis, la oxidación, la carburación y la nitruración. El sustrato caliente, normalmente a más de 400 °C, proporciona la energía para que se produzca la reacción.

LPCVD se diferencia de otros procesos de deposición como la evaporación, la pulverización e incluso la deposición de vapor químico atmosférico (CVD) en varias formas importantes y ventajosas. Las técnicas de deposición física de vapor (PVD), como la evaporación y la pulverización catódica, se limitan a geometrías de línea de visión y no se pueden utilizar para recubrir formas profundamente empotradas. LPCVD, por otro lado, puede proporcionar fácilmente recubrimientos uniformes en todas las formas de sustrato, incluidas formas profundamente empotradas e incluso tubos, debido a su pequeña trayectoria libre media. El camino libre medio, la distancia promedio entre colisiones moleculares, es muchos órdenes de magnitud menor para LPCVD que para PVD. Esto significa que hay muchas más colisiones entre átomos y moléculas en la fase gaseosa antes de encontrarse con el sustrato. Mientras que un modelo de "bola de billar" se usa a menudo para describir los procesos de PVD, CVD es más comparable a un fluido que fluye a través de una tubería. En pocas palabras, con LPCVD todas las superficies expuestas se "mojarán". Además, LPCVD no requiere el alto vacío (presiones muy bajas) que se necesita para PVD.

En comparación con CVD atmosférico, LPCVD permite recubrimientos de conformación más uniformes. Debido a la presión reducida y las temperaturas de deposición elevadas utilizadas en LPCVD, la difusividad térmica es grande, lo que facilita una distribución uniforme de los reactivos dentro de una sección transversal determinada de la cámara de deposición. La consideración adecuada de las condiciones de flujo es una de las claves para el desarrollo exitoso de los procesos de CVD (Figura 2). LPCVD se caracteriza por condiciones de flujo continuo que operan dentro del régimen laminar. La geometría del reactor es un factor crítico a considerar en la configuración y optimización del proceso LPCVD.

Estas propiedades fundamentales de LPCVD permiten desarrollar procesos de deposición que brindan una cobertura uniforme en todas las superficies del sustrato. Este atributo ha llevado al amplio uso de LPCVD dentro de la industria de los semiconductores, ya que se puede obtener de manera similar una excelente cobertura de pasos de características micrométricas y submicrónicas. Por el contrario, el gran camino libre medio y el comportamiento de los gases moleculares que caracterizan el procesamiento por PVD proporcionan una deposición principalmente en la línea de visión.

A diferencia de los procesos de pulverización catódica o de evaporación que utilizan objetivos sólidos como materiales de origen, los procesos de CVD utilizan una amplia variedad de compuestos químicos que normalmente se denominan precursores. Hay 3 clasificaciones principales de precursores dentro del mundo CVD: hidruros metálicos, haluros metálicos y compuestos orgánicos metálicos. Dentro del ámbito de la CVD organometálica (MOCVD), existe una gran cantidad de posibles materiales precursores. De hecho, hay más de 100 compuestos organometálicos disponibles solo para el estaño. La selección de un material precursor apropiado es un aspecto clave de la deposición de LPCVD. Las consideraciones importantes en la selección de un material precursor de origen incluyen la temperatura de reacción, los requisitos de pureza, las vías de reacción y la capacidad de vaporizar adecuadamente el material y entregarlo a la superficie del sustrato.

La manipulación adecuada de los materiales de origen precursores y los subproductos es un aspecto importante de las enfermedades cardiovasculares, ya que algunos materiales pueden ser peligrosos para las personas, los animales y el medio ambiente. La reducción a menudo se logra a través de la reacción de los subproductos a temperaturas muy altas, seguida de técnicas de depuración química, absorción y/o condensación para separar los subproductos de la corriente de efluentes.

Se ha depositado una amplia gama de materiales utilizando técnicas de CVD. Estos incluyen óxidos metálicos, óxidos conductores transparentes, nitruros, carburos, semiconductores, metales puros y diamantes sintéticos. En consecuencia, el número de aplicaciones potenciales es inmenso. Los recubrimientos producidos por CVD se pueden usar en las pilas de interferencia multicapa mencionadas anteriormente como recubrimientos protectores para la resistencia a la difusión, la corrosión y el desgaste, y en una variedad de sistemas basados ​​en fibra óptica, semiconductores y fotovoltaicos.

Se ha depositado una amplia gama de óxidos conductores transparentes (TCO) a través de CVD, incluido el óxido de estaño dopado con flúor (SnO:F), el óxido de zinc dopado con aluminio (ZnO:Al), el óxido de estaño y antimonio (SnO:Sb) y el estaño indio. óxido (ITO), por nombrar algunos de los materiales más comunes. Los TCO se caracterizan por una excelente transmisión en el rango visible, al tiempo que poseen una conductividad eléctrica significativa. Debido a la abundancia de electrones portadores libres, estos materiales pueden ser altamente reflectantes en longitudes de onda infrarrojas y más largas cuando la resistencia de la lámina es adecuadamente baja. Las aplicaciones incluyen electrodos, recubrimientos antiestáticos, vidrio de baja emisividad y eficiencia energética y recubrimientos de bloqueo de radiofrecuencia para aplicaciones de seguridad. El uso de tales materiales en sustratos de forma compleja puede ser un área de crecimiento futuro, proporcionando nuevas opciones para el diseño de sistemas.

El proceso IsoDyn LPCVD de DSI se ha empleado con éxito para recubrir una amplia variedad de superficies diferentes, incluidos concentradores parabólicos, cúpulas ópticas, lentes de bola, fibras ópticas, tubos y otros sustratos no planos. DSI tiene una experiencia considerable en la industria de telecomunicaciones/comunicación de datos con recubrimientos AR conformales de alta calidad en lentes esféricos (Figura 3). Los recubrimientos AR producidos por el proceso LPCVD brindan una cobertura del 100 % en cada lente esférica, lo que elimina cualquier consideración de orientación. Esto, a su vez, proporciona una reducción en los costos de fabricación asociados con el ensamblaje de acopladores/colimadores de fibra óptica, que normalmente operan en el rango de longitud de onda entre 1,30 μm y 1,57 μm.

Hoy en día, las lentes esféricas están encontrando uso en nuevos campos más allá del acoplamiento de fibras. Un área de creciente interés es el campo de la generación de energía fotovoltaica concentrada (CPV). Colocada en el centro de una serie de espejos, una lente esférica de gran diámetro se puede usar para enfocar la energía solar en una celda solar de alta eficiencia. Este sistema aprovecha las propiedades ópticas de las lentes esféricas para colimar la luz difusa en un haz bien enfocado. La aplicación de un revestimiento antirreflectante se puede utilizar para mejorar la eficiencia del sistema hasta en un 6,5 % mediante la minimización de las pérdidas por reflectancia. El proceso IsoDyn LPCVD es capaz de recubrir lentes de bola que varían en tamaño de 200 μm a 200 mm con recubrimientos AR de banda simple, doble y banda ancha, así como diseños de filtros ópticos más complejos.

DSI también ha empleado el proceso LPCVD en una variedad de aplicaciones de reflectores que cubren una amplia gama de geometrías de componentes. Los recubrimientos depositados en los reflectores van desde diseños de espejo frío visible de banda ancha, paso de onda corta, paso de onda larga y filtros dicroicos. Existe la capacidad de manejar tamaños de piezas de hasta 8" × 12".

La nueva capacidad para producir recubrimientos que cubren el rango de banda espectral de 300 nm a 5 μm abarca una amplia gama de diseños de película delgada óptica. En el rango visible, los diseños de filtro dicroico, de paso de onda corta, de paso de onda larga, de espejo frío (Figura 4) y AR de banda ancha se han empleado con éxito. Los recubrimientos AR simples, duales y de banda ancha también están disponibles para longitudes de onda de telecomunicaciones de 1310nm/ 1550nm en sustratos que varían en índice desde BK7 hasta zafiro y zirconia cúbica. Además, los recubrimientos AR solares de banda ancha (400 nm a 1700 nm), así como el espejo caliente, se pueden aplicar a una variedad de sustratos. En algunos casos, puede ser posible lograr el rendimiento en múltiples regiones espectrales, como un recubrimiento AR para bandas espectrales VIS e infrarrojas de onda media (MWIR).

Los recubrimientos ópticos de película delgada producidos con el proceso LPCVD patentado se pueden usar en entornos operativos extremadamente hostiles. Los recubrimientos producidos por este proceso son térmicamente estables y químicamente inertes en la mayoría de los entornos operativos, con temperaturas de servicio demostradas de hasta 850 °C. La durabilidad mecánica y la adhesión son excelentes, como resultado de los fuertes enlaces covalentes con el sustrato y en las interfaces de las capas. El proceso IsoDyn es útil para recubrir casi todos los vidrios ópticos, materiales cristalinos, cerámicas y metales.

El proceso de recubrimiento avanzado IsoDyn utiliza las ventajas fundamentales de la deposición LPCVD para proporcionar recubrimientos de película delgada conformados y con pocos defectos en componentes ópticos no planos y asimétricos. Los beneficios del procesamiento LPCVD se han explotado durante mucho tiempo en la industria de los semiconductores y ahora brindan nuevas oportunidades para diseños de sistemas ópticos novedosos. Están disponibles nuevos revestimientos de filtro de interferencia para longitud de onda única, banda dual y AR de banda ancha, espejo frío, espejo caliente, paso de onda larga/corta, dicroico, conductivo. Los recubrimientos depositados mediante el proceso IsoDyn son extremadamente robustos y capaces de funcionar en los entornos operativos más exigentes.

Este artículo fue escrito por David McLean, ingeniero de procesos de Deposition Sciences, Inc. (DSI) (Santa Rosa, CA). Para obtener más información, comuníquese con el Sr. McLean en [email protected], o visite www.depsci.com.

Este artículo apareció por primera vez en la edición de marzo de 2013 de la revista Photonics Tech Briefs.

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