Couches minces optiques sur des géométries de substrat complexes

Un procédé de revêtement de couches minces optiques par dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD) de nouvelle génération permet la fabrication de revêtements de filtres interférentiels, tels que l'AR à une seule longueur d'onde, à double bande et à large bande, à miroir froid, dichroïque et conducteur. Le procédé IsoDyn™ à couche mince amélioré, conçu par Deposition Sciences, Inc. (DSI), est maintenant utilisé pour produire des revêtements conformes sur des géométries de substrat complexes. Cette capacité permet une myriade de nouvelles applications qui peuvent nécessiter des revêtements multicouches uniformes sur des formes complexes, allant de simples lentilles sphériques à presque toutes les formes optiques imaginables.

Avec une large couverture de longueur d'onde de 300 nm à 5 μm, la nouvelle technologie de couches minces LPCVD ouvre la porte à de nouvelles conceptions optiques. De telles conceptions peuvent ne pas avoir été envisagées dans le passé en raison des limites des méthodes de dépôt plus courantes telles que l'évaporation ou la pulvérisation. Bien qu'excellentes pour certaines applications, ces méthodes de dépôt ne peuvent pas correspondre à la couverture conforme et à l'uniformité de revêtement offertes par LPCVD pour les composants optiques non plans et asymétriques (Figure 1).

Le procédé de dépôt chimique en phase vapeur à basse pression IsoDyn est similaire à la technologie couramment utilisée dans l'industrie des semi-conducteurs. Il a été optimisé pour produire des revêtements optiques de haute qualité, à faible teneur en particules et sans trous d'épingle avec une excellente qualité de surface. La qualité de rayure/creuse d'une surface de substrat n'est pas dégradée par le dépôt et des films de faible rugosité de surface (c'est-à-dire < 5 nm) peuvent être obtenus.

Le LPCVD est essentiellement un procédé thermique utilisé pour déposer des films minces à partir de précurseurs en phase gazeuse à des pressions inférieures à la pression atmosphérique. Le dépôt se produit par diffusion de réactifs sur une surface de substrat chauffée, où une réaction de surface irréversible a lieu. La réaction chimique à la surface pourrait être l'un des nombreux mécanismes possibles, notamment la décomposition thermique (pyrolyse), la réduction, l'hydrolyse, l'oxydation, la carburation et la nitruration. Le substrat chaud, généralement supérieur à 400°C, fournit l'énergie pour que la réaction se produise.

Le LPCVD diffère des autres processus de dépôt tels que l'évaporation, la pulvérisation et même le dépôt chimique en phase vapeur atmosphérique (CVD) de plusieurs manières importantes et avantageuses. Les techniques de dépôt physique en phase vapeur (PVD), telles que l'évaporation et la pulvérisation, sont limitées aux géométries en ligne de visée et ne peuvent pas être utilisées pour revêtir des formes profondément en retrait. Le LPCVD, d'autre part, peut facilement fournir des revêtements uniformes sur toutes les formes de substrat, y compris les formes profondément en retrait et même les tubes, en raison de son petit libre parcours moyen. Le libre parcours moyen, la distance moyenne entre les collisions moléculaires, est de plusieurs ordres de grandeur plus petit pour le LPCVD que pour le PVD. Cela signifie qu'il y a beaucoup plus de collisions entre les atomes et les molécules dans la phase gazeuse avant de rencontrer le substrat. Alors qu'un modèle "boule de billard" est souvent utilisé pour décrire les processus PVD, le CVD est plus comparable au fluide circulant dans un tuyau. En termes simples, avec LPCVD, toutes les surfaces exposées vont être "mouillées". De plus, le LPCVD ne nécessite pas le vide poussé (très basses pressions) nécessaire au PVD.

Comparé au CVD atmosphérique, le LPCVD permet des revêtements conformes plus uniformes. En raison de la pression réduite et des températures de dépôt élevées utilisées dans le LPCVD, la diffusivité thermique est importante, facilitant ainsi une distribution uniforme des réactifs dans une section transversale donnée de la chambre de dépôt. La bonne prise en compte des conditions d'écoulement est l'une des clés de la réussite du développement des procédés CVD (Figure 2). Le LPCVD est caractérisé par des conditions d'écoulement continu fonctionnant dans le régime laminaire. La géométrie du réacteur est un facteur critique à prendre en compte dans la configuration et l'optimisation du procédé LPCVD.

Ces propriétés fondamentales du LPCVD permettent de développer des procédés de dépôt assurant une couverture uniforme sur toutes les surfaces du substrat. Cet attribut a conduit à une large utilisation du LPCVD dans l'industrie des semi-conducteurs, car une excellente couverture de pas de caractéristiques microniques et submicroniques peut être obtenue de la même manière. En revanche, le grand libre parcours moyen et le comportement des gaz moléculaires qui caractérisent le traitement PVD permettent un dépôt principalement en ligne de mire.

Contrairement aux procédés de pulvérisation ou d'évaporation qui utilisent des cibles solides comme matériaux sources, les procédés CVD utilisent une grande variété de composés chimiques généralement appelés précurseurs. Il existe 3 grandes classifications de précurseurs dans le monde du CVD : les hydrures métalliques, les halogénures métalliques et les organométalliques. Dans le domaine du CVD organométallique (MOCVD), il existe un grand nombre de matériaux précurseurs potentiels. En fait, il existe plus de 100 composés organométalliques disponibles uniquement pour l'étain. La sélection d'un matériau précurseur approprié est un aspect clé du dépôt LPCVD. Des considérations importantes dans la sélection d'un matériau précurseur source comprennent la température de réaction, les exigences de pureté, les voies de réaction et la capacité à vaporiser convenablement le matériau et à le délivrer à la surface du substrat.

La manipulation appropriée des matériaux sources précurseurs et des sous-produits est un aspect important du CVD, car certains matériaux peuvent être dangereux pour les personnes, les animaux et l'environnement. La réduction est souvent obtenue par la réaction des sous-produits à des températures très élevées, suivie de techniques de lavage chimique, d'absorption et/ou de condensation pour séparer les sous-produits du flux d'effluents.

Une large gamme de matériaux a été déposée à l'aide de techniques CVD. Ceux-ci comprennent les oxydes métalliques, les oxydes conducteurs transparents, les nitrures, les carbures, les semi-conducteurs, les métaux purs et le diamant synthétique. En conséquence, le nombre d'applications potentielles est immense. Les revêtements produits par CVD peuvent être utilisés dans les empilements interférentiels multicouches susmentionnés comme revêtements protecteurs pour la diffusion, la corrosion et la résistance à l'usure, et dans une variété de systèmes photovoltaïques, à semi-conducteurs et à base de fibres optiques.

Un large éventail d'oxydes conducteurs transparents (TCO) ont été déposés par CVD, notamment l'oxyde d'étain dopé au fluor (SnO:F), l'oxyde de zinc dopé à l'aluminium (ZnO:Al), l'oxyde d'antimoine et d'étain (SnO:Sb) et l'étain d'indium. oxyde (ITO), pour ne citer que quelques-uns des matériaux les plus courants. Les TCO se caractérisent par une excellente transmission dans le visible, tout en possédant une conductivité électrique importante. En raison de l'abondance d'électrons porteurs libres, ces matériaux peuvent être hautement réfléchissants dans l'infrarouge et des longueurs d'onde plus longues lorsque la résistance de la feuille est suffisamment faible. Les applications incluent les électrodes, les revêtements antistatiques, le verre à faible émissivité écoénergétique et les revêtements bloquant les RF pour les applications de sécurité. L'utilisation de tels matériaux sur des substrats de forme complexe peut être un domaine de croissance future, offrant de nouvelles options pour la conception de systèmes.

Le procédé IsoDyn LPCVD de DSI a été utilisé avec succès pour revêtir une grande variété de surfaces différentes, notamment des concentrateurs paraboliques, des optiques à dôme, des lentilles sphériques, des fibres optiques, des tubes et d'autres substrats non plans. DSI possède une expérience considérable dans l'industrie des télécommunications/datacom avec des revêtements AR conformes de haute qualité sur les lentilles sphériques (Figure 3). Les revêtements AR produits par le processus LPCVD offrent une couverture à 100 % sur chaque lentille sphérique, éliminant toute considération d'orientation. Ceci, à son tour, permet une réduction des coûts de fabrication associés à l'assemblage de coupleurs/collimateurs de fibres optiques - fonctionnant généralement dans la plage de longueurs d'onde comprise entre 1,30 μm et 1,57 μm.

Aujourd'hui, les lentilles sphériques trouvent une utilisation dans de nouveaux domaines au-delà du couplage des fibres. Un domaine d'intérêt croissant est celui de la production d'énergie photovoltaïque à concentration (CPV). Placée au centre d'un réseau de miroirs, une lentille sphérique de grand diamètre peut être utilisée pour concentrer l'énergie solaire sur une cellule solaire à haut rendement. Ce système tire parti des propriétés optiques des lentilles sphériques pour collimater la lumière diffuse en un faisceau étroitement focalisé. L'application d'un revêtement antireflet peut être utilisée pour améliorer l'efficacité du système jusqu'à 6,5 % en minimisant les pertes de réflexion. Le procédé IsoDyn LPCVD est capable de revêtir des lentilles sphériques d'une taille allant de 200 μm à 200 mm avec des revêtements AR à bande unique, double bande et à large bande, ainsi que des conceptions de filtres optiques plus complexes.

Le processus LPCVD a également été utilisé par DSI dans une variété d'applications de réflecteurs couvrant une large gamme de géométries de composants. Les revêtements déposés sur les réflecteurs vont des conceptions de miroirs froids visibles à large bande, des filtres passe-ondes courts, passe-ondes longues et dichroïques. La capacité existe pour gérer des tailles de pièces jusqu'à 8" × 12".

La nouvelle capacité à produire des revêtements couvrant la gamme de bandes spectrales de 300 nm à 5 μm englobe une large gamme de conceptions de couches minces optiques. Dans la gamme visible, les conceptions de filtres AR à large bande, à ondes courtes, à ondes longues, à miroir froid (Figure 4) et dichroïques ont été utilisées avec succès. Des revêtements AR simples, doubles et à large bande sont également disponibles pour les longueurs d'onde télécom de 1310 nm/1550 nm sur des substrats dont l'indice va du BK7 au saphir et à la zircone cubique. De plus, des revêtements AR solaires à large bande (400 nm à 1700 nm) ainsi qu'un miroir chaud peuvent être appliqués sur une variété de substrats. Dans certains cas, il peut être possible d'obtenir des performances sur plusieurs régions spectrales, comme un revêtement AR pour les bandes spectrales VIS et infrarouge à ondes moyennes (MWIR).

Les revêtements optiques à couches minces produits avec le procédé propriétaire LPCVD peuvent être utilisés dans des environnements de fonctionnement extrêmement difficiles. Les revêtements produits par ce procédé sont thermiquement stables et chimiquement inertes dans la plupart des environnements d'exploitation, avec des températures de service démontrées allant jusqu'à 850°C. La durabilité mécanique et l'adhérence sont excellentes, résultat des fortes liaisons covalentes avec le substrat et aux interfaces des couches. Le procédé IsoDyn est utile pour revêtir presque tous les verres optiques, matériaux cristallins, céramiques et métaux.

Le processus de revêtement avancé IsoDyn utilise les avantages fondamentaux du dépôt LPCVD afin de fournir des revêtements en couches minces conformes à faible défaut sur des composants optiques non plans et asymétriques. Les avantages du traitement LPCVD sont exploités depuis longtemps dans l'industrie des semi-conducteurs et offrent désormais de nouvelles opportunités pour de nouvelles conceptions de systèmes optiques. De nouveaux revêtements de filtres interférentiels pour une longueur d'onde unique, une double bande et une AR à large bande, un miroir froid, un miroir chaud, un passe-ondes long/court, dichroïque, conducteur sont disponibles. Les revêtements déposés à l'aide du procédé IsoDyn sont extrêmement robustes et capables de fonctionner dans les environnements d'exploitation les plus exigeants.

Cet article a été rédigé par David McLean, ingénieur des procédés Deposition Sciences, Inc. (DSI) (Santa Rosa, Californie). Pour plus d'informations, contactez M. McLean à [email protected], ou visitez www.depsci.com .

Cet article est paru pour la première fois dans le numéro de mars 2013 du magazine Photonics Tech Briefs.

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