JP2007525592A - 高品質の光学コーティング形成のための高速蒸着 - Google Patents

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Abstract

高速蒸着方法は生成物流体から粉体コーティングを蒸着する工程を備えている。生成物の流れは流体中の化学反応から得られる。粉体コーティングのいくつかは適切な条件下で光学コーティングに固化する。基板は第１の光学コーティングを持つことができ、この上に粉体コーティングが設けられる。固化の後に得られる光学コーティングは下に存在する第１の光学コーティングとは大きく異なる屈折率を持つことができ、基板全体にわたって厚みおよび屈折率の均一性が高く、また等しい条件下で異なる基板上に形成されたコーティング同士で厚みおよび屈折率の均一性が高い。いくつかの実施態様では、表面積が少なくとも約２５平方センチメートルの基板を使って蒸着によりわずか約３０分で少なくとも約１００ｎｍの粉体コーティングが得られる。

Description

関連出願に対するクロスリファレンス
本願は、本願でその全体を参考文献として援用する、２００３年６月３日に出願されたＢｉらによる「高品質光学コーティング形成のための高速蒸着」という名称の係属中の米国仮特許出願シリアル番号第６０／４７６，９０６号の優先権を主張するものである。
本発明はコーティングされた基板、特に光学ガラスのような光学材料に高密度化したコーティングを備える基板に関する。特に本発明は、粉体コーティングが固化した後に得られる高品質の光学コーティングを形成するための方法に関し、かかる光学コーティングは高速の蒸着速度で反応性蒸着プロセスで形成できる。
インターネットに基づくシステムをはじめとする通信および情報技術の開発により光学通信ネットワークを実現化することで、光学通信で使える広い帯域の利用に向けて世界的な取り組みが意欲的に進められてきた。光ファイバ技術の容量は平面的な光学構造に光ファイバを接続して動作させることでより拡張できる。需要が高まる中、システム機能を実行するのにより多くのチャネルが必要とされている。離散光学構成部材の代わりに一体化平面的構成部材を使うことができこれにより所望の容量が供給される。このような一体化構造体を形成するには、基板に塗布すべき特定の組成物を形成しかかる組成物が適切な光学特性を提供するようにすることが大きな関心の的となる。これらの材料から高品質の光学コーティングを持つ光学装置を形成するためには、コーティング特性をそのように規定する必要がある。
光学材料の基本的な特徴としては、表面の品質、均一性、および光学品質が挙げられる。光学品質とは、所望のレベルの透過率を達成するために吸収および散乱損失が十分に小さいことを言う。光学品質はまた屈折率のような光学的特性の均一性、および複屈折特性も含む。加えて、光学特性はコア層とクラッド層との間のインターフェースのようなインターフェース品質によって影響される。シリカ（ＳｉＯ2）およびいくつかの他の材料の場合、光透過性にとって好ましい形態はガラスであるが、いくつかの他の材料の場合、単結晶または多結晶形態がもっとも高品質の光透過性を持つ場合がある。
発明の要旨
第１の側面では、本発明は第１のコーティングを持つ基板上に光学コーティングを形成するための方法に関する。該方法は生成物流体から前記第１のコーティング上に粉体コーティングを蒸着する工程を備えている。前記生成物の流体は流体中での化学反応から得られたものである。前記粉体は適切な条件下で光学コーティングに固化し、前記光学コーティングおよび前記第１のコーティングは、固化後、屈折率の差が少なくとも約１％未満である。いくつかの実施態様では、基板の表面積は少なくとも約２５平方センチメートルであり、蒸着は生成物流体から前記第１のコーティング上に約３０分未満で少なくとも約１００ｎｍの厚みに粉体コーティングを蒸着できる速度とできる。
さらなる側面では、本発明は基板上に光学コーティングを形成するための方法に関する。該方法は生成物流体から前記基板上に粉体コーティングを蒸着する工程を備えている。前記生成物の流体は流体中での化学反応から得られたものである。前記粉体は適切な条件下で光学コーティングに固化し、この光学コーティングは縁部を１センチメートル除く基板全体にわたる厚みの標準的なずれが約０．５ミクロン未満である。いくつかの実施態様では、基板の表面積は少なくとも約２５平方センチメートルであり、蒸着は、本願で説明する速度で実行できる。
他の側面では、本発明は複数の基板上に光学コーティングを形成するための方法に関する。いくつかの実施態様では、それぞれの基板は表面積が少なくとも約２５平方センチメートルである。該方法は生成物流体から前記複数の基板のそれぞれの上に粉体コーティングを蒸着する工程を備えている。前記生成物の流体は流体中での化学反応から得られたものである。前記粉体は適切な条件下でそれぞれの基板上で光学コーティングに固化し、前記複数の基板同士の光学コーティングの平均厚みの標準的なずれは縁部を２センチメートル除いた状態で約０．１ミクロン未満である。いくつかの実施態様では、粉体コーティングは約３０分未満で少なくとも約１００ｎｍの厚みに形成できる。
さらに、本発明は複数の基板上に光学コーティングを形成するための方法に関する。いくつかの実施態様では、それぞれの基板は表面積が少なくとも約２５平方センチメートルである。該方法は生成物流体から前記複数の基板のそれぞれの上に粉体コーティングを蒸着する工程を備えている。前記生成物の流体は流体中での化学反応から得られたものである。それぞれの基板上の前記光学コーティングは、前記基板上の前記光学コーティング同士のそれぞれの基板についての平均屈折率の標準的なずれが縁部を１センチメートル除いた状態で約０．００１ミクロン未満である。いくつかの実施態様では、粉体コーティングは約３０分未満で少なくとも約１００ｎｍの厚みに形成できる。
加えて、本発明は基板上に光学コーティングを形成するための方法に関する。いくつかの実施態様では、基板の表面積は少なくとも約２５平方センチメートルである。該方法は生成物流体から前記基板上に粉体コーティングを蒸着する工程を備えており、前記生成物の流体は流体中での化学反応から得られたものであり、前記粉体は適切な条件下で光学コーティングに固化し、この光学コーティングは縁部を１センチメートル除く基板全体にわたる屈折率の標準的なずれが約０．００１未満である。粉体コーティングは本願で説明する高速で蒸着できる。
さらなる側面では、本発明は基板上に光学コーティングを形成するための方法に関する。該方法は生成物流体から前記基板上に粉体コーティングを蒸着する工程を備えている。前記生成物の流体は流体中での化学反応から得られたものである。前記粉体コーティングは適切な条件下で光学コーティングに固化し、前記光学コーティングは少なくとも約８重量パーセントのリン酸塩（Ｐ2Ｏ5）を含むシリケートガラスからなる。
他の側面では、本発明は基板上に光学コーティングを形成するための方法に関する。該方法は生成物流体から前記基板上に粉体コーティングを蒸着する工程を備えている。前記生成物の流体は流体中での化学反応から得られたものである。前記粉体コーティングは少なくとも約２０重量パーセントのゲルマニウム酸化物（ＧｅＯ2）を含むシリケートガラスからなる。
非常に高品質な光学コーティングに固化する粉体コーティングの生成には高速蒸着方法が適していることが発見された。特に、光学コーティングは、特定の基板表面の沿ってならび同じ条件下で生成された異なる基板間の両方おいて非常に高い均一性で形成できる。光学コーティングは、例えば、厚みおよび屈折率を大きくしつつ表面粗さも低いものにできる。これらのコーティングを形成するための方法では、添加剤／ドーパントを含んだシリケートガラスといった広範囲の組成物、および／または広範囲の濃度の組成物を組成物内に含めることにも対応して、屈折率および他の光学特性が重要な範囲にわたって対応して変動されるようにする。従って、隣接する光学層同士は大きく違う屈折率で形成できる。具体的には、隣接するシリケートガラス層は屈折率の違いが少なくとも約１パーセントで形成できる。高速蒸着方法は加熱下で高密度化して光学コーティングを形成する粉体コーティング層を形成できる。粉体コーティング層は例えば光反応性蒸着によって蒸着できる。
ファイバ光通信ネットワークは光伝達を介して広帯域通信チャンネルを提供する。しかしながら、光信号を操作するには適切な光学装置および電子光学装置にファイバ光路を接続して一緒に動作させることが必要である。平面状の光学装置を基板表面に形成することを利用して光学装置の大きさが小さくされてきた。平面状光学装置を形成するには光学材料を操作してほぼ数十ナノメートルから数十または数百ミクロンの寸法で層に構造体を形成する必要がある。光学装置を形成する際に光学材料の蒸着および／または光学材料を操作するためのプロセスを改善することでよりより複雑な光学装置および一体化構造体をより小型の構成で作成できるようになる。
本願での説明は平面状光学装置に焦点をあてているが、実施態様のうちいくつかは光ファイバおよび光ファイバプレフォームに関連している。光ファイバは一般に、ファイバの基本構造上のおよび組成上の側面を導く軟化プレフォームから光ファイバを引っ張ることで形成される。光ファイバプレフォームは平面状光学装置を形成する方法に類似の方法を使って作成できる。
放射ビーム（例えば光線）によって引き起こされる反応性蒸着をともなう、厳密に制御された光学特性を持つコーティングを形成するための新しいプロセスが開発されている。コーティングを使って、対応する光学装置の簡素なまたは複雑な収集体を持つ光学構造体が形成できる。１つの実施態様では、放射ビーム（例えば光線）によって引き起こされる反応性蒸着は反応剤の流れが流れているリアクタを必要とする。反応剤の流れは反応区域の近位で放射ビームと交差して生成物の流れを形成する。この生成物の流れは、流体中で粒子が形成された後、表面上に生成物の粒子が蒸着されるように構成されている。粒子は粉体コーティングの形態で蒸着される、すなわち、非溶融粒子または溶融または部分的に溶融した粒子の収集物の形態で蒸着されるが、この場合、初期一次粒子の少なくともいくつかの特徴がコーティング内に反映される。放射ベースの反応性蒸着は、流動する反応剤の流れの反応を引き起こしてサブミクロン粉体を形成するための放射ベースのプロセスの特性を直接コーティングプロセスに組み込んだものである。粒子形成において強力な放射、例えば、光、ビームを組み込んで流体中に反応を引き起こして粒子を作成する場合、流体中にサブミクロン流体を作成するための放射ベースのプロセスはレーザー熱分離として知られている。特に、広範囲の反応前駆体を使ってガス、蒸気および／またはエアゾール形態の組成物を持つ反応剤の流れを生み出すことができ、広範囲の非常に均一な生成物粒子を効率的に作成できる。
レーザー熱分離では、反応剤の流れはレーザービームのような反応剤を非常に高速で加熱する強力な光線によって反応される。レーザービームは便利なエネルギー源であるが、他の強力な放射（例えば光）源もレーザー熱分離で使える。レーザー熱分離は熱力学的平衡条件下では形成が困難な材料の相の形成に対応するものである。反応剤の流れが光線を離れるにつれて、生成物粒子が急速に焼き入れられる。反応は、制限された反応区域で光線と反応剤の流れが交差する点で起こる。ドーピングされた材料および他の複合光学材料の場合、本方法は材料の組成を所望の範囲にわたって調整できるという利点がある。
レーザー熱分離のために開発された反応剤送達方法は光反応性蒸着に適合させることができる。特に、広範囲の反応前駆体をガス状／蒸気および／またはエアゾールの形態で使うことができ、広範囲の非常に均一な生成物粒子を効率的に生成して、粉体コーティングのようなコーティングの形状で蒸着できる。具体的に、光反応性蒸着を使うことで、必要に応じて（単数または複数の）ドーパント／（単数または複数の）添加剤および／または（単数または複数の）複合組成物を含んだ材料の非常に均一なコーティングを形成できる。光反応性蒸着によって形成されたコーティングは、蒸着条件次第で表面上の粒子の収集体または粉体コーティングとなり得る。便宜上、本願では相互交換可能な状態で放射誘起熱分離、光誘起熱分離、およびレーザー熱分離に言及する。便宜上、本願では放射ベースの反応性蒸着および光反応性蒸着にも相互交換可能な状態で言及する。言い換えれば、本願で使うように、レーザー熱分離および光反応性蒸着は一般に、特にそうではないと明示しない限りすべての放射ベースの粒子合成および放射ベースのコーティング方法をそれぞれ意味する。
いくつかの実施態様では、リアクタ装置、例えば、光反応性蒸着装置は細長に反応剤注入口を備えており、粒子の流れが反応剤／生成物の流れを形成している流動するシート内で生み出されるようになっている。一般に、反応剤流体は放射に交差するような向きに送られて反応剤流体のほとんどまたはすべてが放射と交差することにより高い歩留まりが得られるようになっている。細長い反応剤注入口を使って、高いスループットで粒子の線または縞を、少なくとも部分的に、同時に表面に蒸着させることができる。高い反応剤スループットを得ることにより生成物粒子特性の制御および／または蒸着された粉体コーティングの対応する均一性を犠牲にすることなく高い粒子生産速度を維持する方法が開発されている。コーティング蒸着については、粒子の線または縞を蒸着することによりコーティングプロセスをより迅速に行うことができる。
より具体的には、細長い反応剤注入口を備えたリアクタでは、粒子生成速度は少なくとも時間当たり約５０グラム（ｇ／ｈ）の範囲で、他の実施態様では少なくとも約１００ｇ／ｈの範囲で簡単に達成できる。これらの速度を使うと組成が広範囲で粒子均一性が高い粒子を実現することができる。具体的には、流体中の粒子は、平均でまたは平均付近でピークとなっており粒子の大部分の分布は狭なっており、また分布の尾部がカットオフを持っていて平均直径の低倍数のカットオフ値よりも直径が大きい粒子は事実上存在しない粒子直径分布で形成できる。対応する高いコーティング速度もまた達成できる。流体中の粒子が均一なことにより、粒子から形成される対応のコーティングは所望の特性とできる。
光反応性蒸着は基板表面をコーティングするための粒子の生成についてかなりの利点を持つ。まず最初に、光蒸着は広い範囲の生成物粒子の生成に使える。従って、対応するコーティングの組成は光反応性蒸着方法の特性に基づいて調整できる。さらに、光反応性蒸着は非常に小さな粒子を早い生産速度で生成できる。
さまざまな化学量論および／または非化学量論組成物を持つサブミクロン無機粒子コーティングを光反応性蒸着によって生成できる。同様に、蒸着される材料は例えばアモルファス構造をはじめとするさまざまな（単数または複数の）結晶で形成できる。具体的には、光反応性蒸着を使うことでガラス、すなわちアモルファス材料、および結晶性材料の非常に均一なコーティングを形成することができ、必要に応じて、例えば化学量論および／または添加剤／ドーピング成分の複合配合物を含む添加剤／ドーパントを一緒に使うことができる。適切な光学材料としては、例えば、シリコン酸化物、ゲルマニウム酸化物、アルミニウム酸化物、チタン酸化物、テルル化物ガラス、リン酸塩（Ｐ2Ｏ5）ガラス、ＩｎＰ、ニオブ酸リチウム、これらの組み合わせおよびこれらのドーピングされた組成物が挙げられる。光学用途ではガラスが一般に使われてきたが、結晶性アルミニウム酸化物、例えばサファイア、および結晶性ＳｉＯ2、例えば水晶がある一定の波長の光学用途では適切な場合がある。
望ましい組成を持つ粒子および対応するコーティングの生産にレーザー熱分離／光反応性蒸着をうまく適用する基本的な特徴は、適切な前駆体組成物を含む反応生成物の流れの生成である。特に、ドーピングされた材料を光反応性蒸着によって形成する場合、反応剤の流れはホストガラスまたは結晶前駆体、および必要に応じてドーパント前駆体を含むことができる。反応剤の流れは適切な相対的量の前駆体組成物を含んで所望の組成および／またはドーパント濃度の光学材料を生成する。また、もし前駆体が適切な放射吸収剤でない場合、さらに別の放射吸収剤を反応剤の流れに添加することで放射／光エネルギーを吸収させ反応剤の流れにある別の化合物に転送することができる。他のさらに別の反応剤を使って反応剤の流れの酸化／還元環境を調整してよい。ドーピングされた光学ガラスをこれらの反応性方法で形成する場合、ドーパントを導入するための一般的な商用方法と比べて処理の数が少なくてすむ。
レーザー熱分離の特性を採用することで、光反応性蒸着は非常に均一で、非常に小さい粒子をコーティングに蒸着することができる。粉体が均一で大きさが小さいため、光反応性蒸着を使うことで均一で平滑なコーティング表面を形成できる。非常に急速な加熱および冷却をもたらす強力な光線で反応を引き起こすことで所望の品質の粒子が得られる。
蒸着プロセスを適切に制御することにより、基板表面全体にわたっておよび等しい条件下でコーティングされた基板間の平均コーティング厚みについて非常に高い均一性の高密度化コーティング厚みとすることができる。粉体コーティングは高密度化された光学材料を形成する。粉体コーティングの均一性が非常に高いためこれに対応して光学材料も均一で高密度化されたものとなる。具体的には、以下にさらに説明するように、高密度化されたコーティングの厚みが少なくとも約１００ｎｍの基板の場合、縁部を１センチメートル除いた基板全体にわたって光学コーティング厚みの変動を約０．０７ミクロン未満とできる。同様に、複数の基板のそれぞれを縁部を２センチメートル除いた状態で約１００ｎｍの高密度化コーティング厚みでコーティングでき、この場合、複数の基板同士の平均的なコーティング厚みの標準的なずれは少なくともわずか約０．１ミクロンである。加えて、光学コーティングの表面粗さは、約４８０×７３６ミクロンの面積に対して干渉計法により評価した場合、約５００ｎｍＲａ（二乗平均平方根）未満であり約５ｎｍＲｑ（平均）であると評価できる。従って、表面は炎加水分解蒸着で得られると思われるものよりも表面が平滑であり化学蒸気蒸着で得られるものに平滑性がほぼ匹敵する。光反応性蒸着によって付けられた平滑なガラスコーティングは生成物の流れを基板に対して移動させることにより比較的高速の蒸着速度で蒸着されたものである。
光学材料の組成は所望の光学特性ならびに適切な加工特性に基づいて選択できる。いくつかの実施態様では、関心の的となる材料は、例えば、シリカ（ＳｉＯ2）ガラス、例えば、少なくとも約３５重量パーセントのＳｉＯ2を持ちＳｉＯ2より重量パーセントの大きな単一成分は持たない組成物を含んでいる。ドーパントをシリカガラスに添加できこれにより屈折率を変えると同時に流体温度を低くできる。希土類ドーパントのようないくつかのドーパントを添加できこれにより増幅材料のような活性材料の形成に有用な光学特性を導入できる。リン、ホウ素、およびゲルマニウムのような他のドーパントは、目下最大の関心事である光波長でシリカガラスの光学特性に大きな変化を直接もたらことなく屈折率および処理特性を改質するのに有用である。本願で説明する方法を使って、高レベルのリン、ホウ素、および／またはゲルマニウム添加剤をシリカガラスに導入できる。特に、シリカガラスは少なくとも約１０重量パーセントのＰ2Ｏ5のリンドーパント、少なくとも約２５重量パーセントのＧｅＯ2のゲルマニウムドーピング、および少なくとも約３重量パーセントのＢ2Ｏ3のホウ素ドーピングで形成できる。当然ながら、より低い濃度のドーパントを導入することもでき、ドーピングレベルを以下にさらに説明する。
ゲルマニウムおよびリンはシリカガラスの屈折率を高める一方、ホウ素は屈折率を低下させる。従って、高ドーパントレベルをガラスに組み込む能力は、屈折率を希望するように操作できる能力に対応する。光を光ファイバまたは平面状の光導波路を通過させるために光は一般にコア光学材料内に大部分制限されており、かかるコア光学材料はコアを取り囲んでいる対応のクラッド層の屈折率よりも屈折率が高いため光が全内部反射によって制限されるようになっている。コアおよびクラッドの間により大きな屈折率の違いがある場合は、コアを物理的寸法をより小さくして形成でき、コアから光がもれることにより望ましくない損失が生じることなく光路内の局面を直線路に対してより大きな角度をつけて形成できる。リンシリカガラスを使うと、コア材料はクラッド層に対する屈折率の差が少なくとも約１％で蒸着でき、ゲルマニウムホウ素シリカガラスを使うと、コア層とクラッドとの屈折率の差を少なくとも約２％とでき、この場合クラッドは１．５５ミクロンの光波長での屈折率が１．４４４７である。屈折率の差はδｎ＝（ｎcore−ｎclad）／ｎcoreとして計算されたものである。
加えて、本願で説明する蒸着方法は、蒸着特性ならびに蒸着された材料の組成に対して高いレベルの制御を行うものである。このように蒸着を制御することで１枚の基板全体にわたって、また異なる基板同士で高レベルの均一性を得ることができる。従って、基板は屈折率の標準的なずれが約０．００１未満のシリカガラスでコーティングでき、複数の基板の平均屈折率はわずか約０．００１インデックス単位の標準的なずれとすることができる。
通信用途では、コアは一般に単一モードの伝播が可能となるような寸法で形成される。伝播は単一モード動作用の矩形コアの寸法を見積もるようにシミュレートできる。言い換えれば、コアが特定の厚み／高さの場合、適切な幅をコアおよびクラッド材料の屈折率に基づいて見積もることができる。コアはコアとクラッドとの屈折率の差が大きいほどコアの大きさが対応して小さくなっている状態で、単一モード伝播に適した寸法となるよううまく作成されている。高屈折率差に対して光学材料の高速蒸着がこのように著しく進歩すると同時に高い再現性特性も達成しつつ、面内光学損失は約０．１ｄＢ／ｃｍ未満という商業上許容可能なレベルが実現された。
光反応性蒸着は従来可能であったよりも大幅に速い速度で高品質のコーティングを作成できる。同時に、光反応性蒸着は反応剤組成物、反応化学、および光強度などの反応条件を制御することにより組成が非常に広範囲のコーティングを生成することができる。光強度を使うことで反応区域の有効温度を約室温（例えば２０℃）から約３０００℃の範囲といった広範囲にわたって連続的に制御できる。従って、光反応性蒸着はすでに非常に高品質のガラスコーティングを形成するための有効かつ効果的な方法となり得ることを実証している。
生成物粒子の流れを通して基板をさらにスイープすることで複数の層を形成できる。それぞれのコーティング層は均一性および平滑性を高くできるため、層化構造体に対する適切な制御を維持しつつ多数の層を積層でき、光学装置を形成する能力に悪影響を与える構造上の変動をともなわずして光学装置が層化構造体全体にわたって形成できるようにする。組成は層同士の間、すなわち構造体の平面に垂直に、および／または層の一部、構造体の平面内で変動させることができこれにより所望の光学構造体が形成できる。従って、光反応性蒸着をできる限り他のパターンニング方法とともに使うと、組成が選択的に変動している、変動が入り組んだ材料で複合構造体を形成することができる。さらに、レーザー熱分離技術を商業的な量の粉体の生産に適応することで、光反応性蒸着は非常に速い速度で高品質のコーティングを形成できる。
高密度化された層を形成するために、光反応性蒸着によって蒸着されたアモルファス粒子の層を固化させることができる。光学材料を固化させるには、粉体をそれらの流体温度以上に加熱する。これらの温度では、粉体は高密度化しそして冷却すると光学材料の均一な層を形成する。実質的に均一な光学材料は光を透過させる光学品質を持っている。所望の組成物および／またはドーパントを粒子に組み込むことにより、粉体蒸着の直接の結果として、得られる高密度化光学材料中にわたって所望の組成物／ドーパントをもつ光学材料が得られる。一般に、アモルファス粒子は固化するとガラス材料を形成し、アルミニウム酸化物のような結晶性粒子は固化することでサファイアのような結晶性材料を形成できる。しかしながらいくつかの実施態様では、適切な加熱および焼き入れ速度を使うことでアモルファス材料を単結晶性または多結晶性のいずれかの結晶性層に固めることができ（一般には遅い焼き入れ速度）、結晶性粉体をガラス層に固めることができる（一般に急速焼き入れ）。
以下に詳細に説明するように、組成物をパターンニングして所望の構造体を形成するための効率的な方法が開発されてきた。組成または他の特性に対する材料のパターンニングは蒸着中および／または蒸着の後、コーティング済み基板を例えばフォトリソグラフィおよび／または他のエッチング方法を使ってエッチングすることで行える。例えば、コア層の形成では、そして必要に応じてクラッド層の形成では、光学材料の組成を変動させると屈折率および／または他の光学特性を例えば活性光学装置の形成において変化させることができる。これらの方法は、導波路のような平面状の一体型光学装置、および／または引っ張ることで対応する光ファイバを形成できる光ファイバプレフォームの形成に適応できる。
パッシブおよび／またはアクティブ光学装置は光学構造体に組み込むことで所望の機能性を導入することができる。関心の的となっている光学装置は、例えば、光学連結器、分配器、アレー化導波勾配（ＡＷＧ）などのような光導波装置を備えている。基板表面上に製造された導波路は平面状導波路と呼ばれる。平面状導波路は光通信および他の光電子用途のための一体型光学回路の生産に有用である。関心の的となっている他の光学装置としては、例えば、３次元光学メモリ装置、ブラッグ勾配、光学減衰器、光学分配器／連結器、光ファイバ、光学スイッチ、レーザー、変調器、相互接続、光学断路器、光学アドドロップ（ａｄｄ−ｄｒｉｐ）マルチプレクサ（ＯＡＤＭ）、光学増幅器、光学偏光器、光学循環器、相シフタ、光学鏡／反射器、光学相遅延器などが挙げられる。
一体型光学回路は一般に、光学的に接続されている複数の光学装置を備えている。平面状の光学構造体では、光学材料の層は１つ以上の光学回路を備えることができこれらは対応する経路を層に沿って形成している。光反応性蒸着の加工能力が向上したため、独立した光路を持つ複数層が持つ複数層光学構造体を説明してきた。これらの複数層化光学構造体は、本願でその全体を参考文献として援用する、２００１年１０月２６日に出願されたＢｉらによる「多層化光学構造体」という名称の、係属中の、発明の譲渡人に譲渡された、米国を指定国とするＰＣＴ出願ＰＣＴ／ＵＳ０１／４５７６２号にさらに記載されている。さらに、光反応性蒸着は光学構造体を完全に三次元的に一体化するのに適応できるため、三次元で組成変動を利用できる。従って、単斜晶光学構造体を１つ以上の層内または層間に完全一体化して形成できるため、複雑な機能性の能力を持つ非常に小型の光学構造体を形成できる。三次元構造体の形成については、本願でその全体を参考文献として援用する、Ｂｉらによる「光学構造体の三次元エンジニアリング」という名称の、同時係属中の発明の譲渡人に譲渡された米国特許出願第１０／０２７，９０６号にさらに記載されている。本願で説明する屈折率選択方法は複雑な多層化光学構造体の形成において、光路用の構造体を光反応性材料用に設計することで屈折率を選択できるようにするか、または、構造体のすべての層を蒸着する前に中間構造体の屈折率の選択を行うことで適応できる。
反応剤流体内での粒子合成
広範囲の粒子組成物および構造体を持つサブミクロン／ナノ尺度粒子を生産するのにレーザー熱分解が有効なツールであることを単独でまたは他のさらなる処理と組み合わせて証明した。光反応性蒸着を使って、粒子をコーティングとして基板に蒸着できる。以下に詳細に説明する反応剤送達方法を採用して流動反応剤システムで、例えば放射源、例えば光源を使って粉体コーティングを生産できる。
流動反応剤システムは一般に、流体を反応チャンバへと向かわせる反応剤送達装置からなる。反応剤流体の反応は反応チャンバ内で起こる。反応区域は反応チャンバ内の狭い領域に局所化されるかまたはされない。放射、例えば光線を使って反応を引き起こすことで局所的な反応区域を作ることができ、この区域で粒子が非常に均一とされる。反応区域を越えたところでは、流体は生成物粒子、未反応反応剤、反応副産物、および不活性ガスを含んでいる。流体は蒸着表面へと続くことができここで生成物粒子の少なくとも一部が粉体コーティングとして流体から採取される。反応中に反応剤を流体へと連続的に供給し流体から生成物の粒子を取り除くことで流体反応剤システム内での反応プロセスが特徴付けられているが、反応および／または蒸着は、例えば基板を配置したり、反応剤の組成を変えたり、または他の処理目的などのために適切な間隔で中断できる。
光反応性蒸着はレーザー熱分解のいくつかの粒子生産特徴を組み込んでコーティングを生産することができる。特に、広範囲の粒子組成および構造を持つ粒子を形成できるという汎用性を採用して光反応性蒸着によりかなり広範囲の粒子組成で粒子コーティングを形成できる。一般に、流動反応剤システム内の生成物粒子は反応チャンバ内でコーティングとして基板に蒸着するか、別のコーティングチャンバに向かわせて基板に蒸着させるか、またはコレクタに向かわせて粉体として収集できる。
レーザー熱分解は、強力な放射、例えば光で引き起こされる化学反応を流動させ、生成物を、放射によって定義されている狭い反応領域を離れた後急速に焼き入れる標準的な技術となっている。しかしながら名称は、強力な、インコヒーレント光または他の放射ビームのような非レーザー源からの放射のかわりにレーザーを採用できるという意味で誤称である。また、反応は熱分解という意味では熱分解ではない。レーザー熱分解反応は反応剤の発熱燃焼によって単独では熱的に引き起こされない。実際、いくつかの実施態様では熱分離炎とは対照的に、レーザー熱分解反応は反応から可視光線が全く観察されないという条件下で行える。光反応性蒸着は粒子を生産するにあたりレーザー熱分解に匹敵するプロセスを必要とするが、流体のいくつかの特徴を変更してコーティングプロセスを行ってもよい。
レーザー熱分解の場合と同じく、光反応性蒸着により生産される粒子の品質は反応条件で決まる。光反応性蒸着の反応条件は比較的正確に制御して所望の特性を持つ粒子および対応する粉体コーティングを生産するようにできる。特に、粒子特性は粒子から形成される粉体コーティングの特性に影響するが、基板温度および反応区域からの基板の距離などの他の要因もまたは粉体コーティング特性に影響する。
例えば、反応チャンバ圧力、流体速度、反応剤の組成および濃度、放射強度、放射エネルギー／波長、不活性希釈ガスまたは反応の流れのガスのタイプおよび濃度、反応剤流体の温度も、例えば反応区域内での反応剤／生成物の飛行時間および焼き入れ速度を変更することにより生成物粒子の組成および他の特性に影響し得る。従って、特定の実施態様では、１つ以上の特定の反応条件を制御できる。あるタイプの粒子を生産するのに適切な反応条件は一般に、特定の装置の設計によって決まる。特定の装置において選択した粉体コーティングを生成するための特定の条件を以下の例に記述する。さらに、反応条件と得られる粒子との関係については一般的なことがらがいくつか観察できる。
光の出力を上げると反応領域の反応温度が上がり同時に焼き入れ速度が速くなる。焼き入れ速度が速いとより高いエネルギー相の生産に有利となる傾向があるがこれは熱平衡付近のプロセスでは達成できない。同様に、チャンバ圧力を挙げるとより高いエネルギー相の生産に有利となる傾向がある。また、反応剤の流れで酸素源として機能する反応剤または他の補助的な反応剤源の濃度を上げると、酸素または他の補助的な反応剤の量が多くなり粒子の生産に有利である。
反応剤ガスの流れの反応剤速度は粒子サイズとは反比例の関係にあり反応剤の速度を上げると粒子サイズが小さくなる傾向がある。粒子サイズの決定に重要な要因は生成物粒子に濃縮する生成物の組成物の濃度である。濃縮生成物の組成物の濃度が低下すると一般には粒子サイズが小さくなる。濃縮生成物の濃度は非濃縮、例えば不活性組成物で希釈することにより、または非濃縮組成物に対する濃縮生成物の固定の比率で圧力を変化させ、この場合、圧力の低下により一般には濃度が低下しそれに対応して粒子サイズが小さくなるかまたはその逆もあり得、またはその組み合わせによるか、またはなんらかの他の適切な手段により制御できる。
光の出力は粒子サイズにも影響する。この場合、光の出力を上げるとより小さな粒子を形成するのに有利であり、特により溶融温度が高い材料についてはそうである。また、粒子の成長力学は得られる粒子のサイズに大きな影響を与える。言い換えれば、生成物の組成の形態が異なると比較的類似の条件下で他の相から異なるサイズの粒子が形成される傾向がある。同様に、組成の異なる粒子の集団が形成されている条件下では、粒子の集団はそれぞれが一般に、粒子サイズのそれ自身の特徴的な狭い分布を持っている。
今関心の的となっている材料としてはアモルファス材料、結晶性材料、およびその組み合わせが挙げられる。アモルファス材料は結晶性材料にみられるのと非常に似通った短距離オーダーを持っている。結晶性材料では、短距離オーダーは結晶性およびアモルファス材料を区別する長距離オーダーの構築ブロックを備えている。言い換えると、アモルファス材料に見られる短距離オーダー構築ブロックの移行シンメトリは、結晶格子を定義する長距離オーダーを作る例えば、シリカガラスは、不規則な接着角度にて接着された、珪酸イオン（ＳｉＯ4）4-四面体から成るアモルファス材料である。この四面体の規則性は短距離オーダーを提供するが、接着角度の不規則性は長距離オーダーを回避する。これとは反対に、石英は、結晶格子を生じる長距離オーダーを形成するべく規則的な接着角度にて接着された、同じ珪酸イオン（ＳｉＯ4）4-四面体から成る結晶材料である。一般に、結晶形態は類似のアモルファス形態よりもエネルギー状態が低い。このことは長距離オーダーの形成に駆動力を与える。言い換えると、所定の十分な原子移動度および時間、長距離オーダーを形成できる。
レーザー熱分解では、広範囲の無機材料を反応プロセスで形成できる。運動学的原則に基づくと、焼き入れ速度がより速いとアモルファス粒子形成に有利であり、他方、焼き入れ速度がより遅いと結晶性粒子の形成に有利である、なぜなら長距離オーダーが発達する時間があるからである。反応区域を通る反応剤の流れの速度をより速くすることによってより早い焼き入れを実現できる。さらに、前駆体のあるものはアモルファス粒子の生産に有利である場合があり他の前駆体は化学量論が似ているかまたは等しい結晶粒子の生産に有利である。具体的には、アモルファス粒子は適切な条件下で固める／高密度化して光学ガラスのようなアモルファス層を形成でき、これはきっちりとした封止またはイオン伝導性膜を形成するのに有利となり得る。アモルファス粒子はより簡単に固めてガラス層にできる、なぜならアモルファス粒子は分裂してガラス層を形成する長距離オーダーを持っていないからである。アモルファス酸化物の形成は、本願でその全体を参考文献として援用するＫａｍｂｅらによる「バナジウム酸化物ナノ粒子」という名称の米国特許第６，１０６，７９８号にさらに記載されている。また、光学および／またはアプリケーションの結晶性材料も関心の的である。結晶性粒子は単一結晶性または多結晶性材料に固めることができる。アモルファス粒子をガラスに固めたり結晶性粒子を結晶性層に固めることはより簡単であると同時に、結晶性粒子は、溶融温度より高い温度に粒子を加熱しその後長距離オーダー形成を妨げる速度で焼き入れるといった適切な固化条件下でアモルファス層に固めることができる。アモルファス粒子は、長距離オーダーが発達する時間を提供するような速度で加熱および冷却を行うといった適切な固化条件下で結晶性層に固めることができる。
反応プロセスで所望の組成物を形成するために、１つ以上の前駆体が所望の組成物を形成する１つ以上の金属／メタロイド元素を供給する。反応剤の流れは一般に、所望の組成を持つ生成物粒子を生産するのに適切な比率で、所望の金属、さらに加えてまたは代わりにホスト材料を形成するためのメタロイド元素、必要に応じて（単数または複数の）ドーパント／（単数または複数の）添加剤を含んでいる。反応剤の流れの組成は（単数または複数の）反応条件と一緒に調整することで組成および構造に関して所望の生成物粒子を生成できる。特定の反応剤および反応条件に基づいて、生成物の粒子は反応剤の流れとは金属／メタロイド元素の比率が同じでない場合がある、なぜなら元素は粒子に組み込まれたときの効率、すなわち未反応材料に対する歩留まりが異なる場合があるからである。しかしながらそれぞれの元素の組み込み量は反応剤の流れの中のその元素の量の関数であり、組み込み効率は本願の教示に基づいて経験的に評価して所望の組成が得られるようにできる。本願で説明する放射により引き起こされる反応のための反応剤ノズルの設計は反応剤の流体が大きい高い歩留まりに対応するように設計されている。さらに、さらに別の適切な（単数または複数の）前駆体はどのような所望の（単数または複数の）ドーパント／添加剤元素でも供給できる。
メタロイドは金属と非金属の中間またはそれらを含めた化学特性を示す元素である。メタロイド元素はシリコン、ホウ酸、ヒ素、アンチモンおよびテルルを含む。リン含有物が金属要素付近の周期表に配置されているが、一般にはメタロイド材料とは考慮されない。しかし、Ｐ2Ｏ5の形式のリン含有物は重要な組成である。便宜性のために、ここで、さらに特許請求の範囲で使用されているように、リン含有物はメタロイド材料としても考慮される。アスタチンもまたおそらくメタロイドとみなすことができるが放射性が非常に高く、もっとも長生きのアイソトープが約８時間と半分の寿命である。Ｉｂ、ＩＩｂ、ＩＩＩｂ、ＩＶｂ、Ｖｂ、ＶＩｂ、ＶＩＩｂおよびＶＩＩＩｂ群から選ばれる元素は転移金属と呼ばれる。Ｉ群のアルカリ金属に加えて、ＩＩ群のアルカリ土類金属および転移金属、他の金属としては例えば、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウム、ゲルマニウム、すず、鉛、ビスマス、およびポロニウムが挙げられる。非金属／メタロイド元素としては水素、希ガス、炭素、窒素、酸素、フッ素、硫黄、塩素、セレン、臭素、およびヨウ素が挙げられる。
レーザー熱分解は一般にガス／蒸気相反応剤を使って行われてきた。金属／メタロイド前駆体組成物といった多くの前駆体組成物をガス／蒸気として反応チャンバに送達することができる。ガスの送達に適切な前駆体組成物としては合理的な蒸気圧、すなわち所望の量の前駆体ガス／蒸気を反応剤の流れに導くのに十分な蒸気圧を持つ組成物が挙げられる。所望の場合は、液体または固体前駆体組成物を保持する容器を加熱（冷却）して前駆体の蒸気圧を上げる（下げる）ことができる。固体前駆体は一般に十分な蒸気圧を引き出すために加熱される。キャリアガスを液体前駆体を介して発泡させると所望の量の前駆体蒸気を簡単に送達できる。同様に、キャリアガスを固体前駆体を通過させると前駆体蒸気を簡単に送達できる。あるいはまたはこれに加えて、液体前駆体をフラッシュ蒸発器に向かわせると組成物を選択された蒸気圧で供給できる。フラッシュ蒸発器を使って非ガス状前駆体の流れを制御すると反応チャンバへの前駆体の送達を高いレベルで制御できる。
しかしながら、排他的にガス／蒸気相反応剤を使うことは便利に使えるタイプの前駆体組成物にとって課題となり得る。従って、金属／メタロイド前駆体のような前駆体を含むエアゾールをレーザー熱分解チャンバに導入するための技術が開発されてきた。流動反応システムのための改善されたエアゾール送達装置は、本願でその全体を参考文献として援用するＧａｒｄｎｅｒらによる「反応剤送達装置」という名称の米国特許第６，１９３，９３６号にさらに記載されている。これらの反応剤送達システムは光反応性蒸着に採用できる。これらの反応物送達システムは光反応性蒸着について適合することができる。いくつかの実施態様では、（単数または複数の）不活性ガスおよび／または（単数または複数の）ガス状反応剤からなるガスの流体にエアゾールを閉じ込める。
エアゾール送達装置を使うと、組成物を溶媒に溶解させることにより固体前駆体組成物を送達できる。あるいは、粉体前駆体組成物を液体／溶媒に分散させてエアゾールを送達できる。液体前駆体組成物は純粋な液体、複数の液体分散液または溶液からエアゾールとして送達できる。エアゾール反応剤を使うことで十分な反応剤スループットが得られる。溶媒／分散液は、得られる溶液／分散液が所望の特性となるように選択できる。適切な溶媒／分散液としては、水、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、他の有機溶媒、およびそれらの混合物が挙げられる。溶媒は所望のレベルの純度を持つものとし得られる粒子が所望の純度レベルを持つようにする。イソプロピルアルコールのようないくつかの溶媒はＣＯ2レーザーからの赤外線を十分に吸収することで、もしＣＯ2レーザーを光源として使用する場合は反応剤の流れの中ではさらに別の光吸収組成物は必要とされないようにする。
エアゾール送達のための前駆体組成物は一般には約０．１モルを上回る範囲の濃度で溶液に溶解される。一般に、溶液中の前駆体の濃度を高めると反応チャンバを通る反応剤のスループットが高くなる。しかしながら、濃度が高くなるにつれて溶液はより粘性となりエアゾールが望ましい大きさよりも大きな液滴となり得る。従って、溶液濃度の選択は適切な溶液濃度の選択で要因のバランスを取ることを必要とし得る。
もし溶媒が存在した状態で前駆体がエアゾールとして送達される場合は、溶媒を一般には反応チャンバ内で放射（例えば光）光線によって急速に蒸発させてガス相反応が起こるようにする。得られる粒子は一般に、溶媒を急速に取り除くことはできない、エアゾールに基づく他の方法とは対照的にあまり多孔性ではない。従ってレーザー熱分解反応の基本的な特性はエアゾールが存在しても未変化のままにできる。とはいえ反応条件はエアゾールの存在に影響される。光反応性蒸着でエアゾール反応剤を使うことは本願でその全体を参考文献として援用するＨｏｒｎｅらによる「光学材料および光学構造体」という名称の係属中で一般に譲渡されている（ｃｏｍｍｏｎｌｙ ａｓｓｉｇｎｅｄ）米国特許出願シリアル番号第１０／０９９，５９７号にさらに記載されている。
複数の金属／メタロイド元素を必要とする実施態様については、金属／メタロイド元素をすべて蒸気として、すべてエアゾールとしてまたはその何らかの組み合わせとして送達できる。もし複数の金属／メタロイド元素がエアゾールとして送達される場合は、前駆体は単一の溶媒／分散液内に溶解／分散させて単一のエアゾールとして反応剤の流体へと送達できる。あるいは、エアゾールに別々に形成されている複数の溶液／分散液内で複数の金属／メタロイド元素を送達することができる。複数のエアゾールを生成するともし好都合な前駆体が通常の溶媒／分散剤に簡単には溶けない／分散しない場合に役立つ。複数のエアゾールを一般的なガス流体に導入して通常のノズルを介して反応チャンバへと送達できる。あるいは、複数の反応剤注入口を使うことでエアゾールおよび／または蒸気反応剤を別々に反応チャンバへと送達して、反応剤が反応区域に入る前に反応チャンバ内で混ざるようにできる。
さらに、高純度の材料を生産する場合、蒸気およびエアゾール反応剤を組み合わせて使うのが望ましい場合がある。いくつかの実施態様では、蒸気／ガス反応剤は一般に、エアゾールで送達される組成物について低価格で簡単に入手できるものよりも高い純度で供給できる。これは、ドープした光学ガラスの形成にとって特に便利であり得る。例えば、非常に純粋なシリコンを、シリコン四塩化物のような気化し易い形態にて送達することができる。同時に、いくつかの元素、特に希土類（単数または複数）ドーパント／（単数または複数）添加剤は蒸気の形態では都合よく送達はできない。従って、いくつかの実施態様では、生成物組成物のための材料は大部分が蒸気／ガスの形態で送達できるが他の元素はエアゾールの形態で送達される。他の方法のなかでも、蒸気およびエアゾールは組み合わせて反応に使え、その後単一の反応剤注入口または複数の注入口を介して送達される。
いくつかの実施態様では、粒子はさらに１つ以上の非（金属／メタロイド）元素を含んでいる。例えば、関心の的となっているいくつかの組成物は酸化物である。従って、酸素源も反応剤の流れに存在するはずである。酸素源はもし１つ以上の酸素原子を含むかまたは補助的な反応剤が酸素を供給できる場合は金属／メタロイド前駆体自体であり得る。反応器内の状態は十分に酸化しており酸化物材料を生成できるものとする。
特に、補助的な反応剤をいくつかの実施態様で使うことにより反応チャンバ内の酸化／還元状態を変えおよび／または非金属／メタロイド元素またはその一部を反応生成物に付与するようにする。酸化物形成のための酸素源として役立つ適切な補助的反応剤としては、例えば、Ｏ2、ＣＯ、Ｎ2Ｏ、Ｈ2Ｏ、ＣＯ2、Ｏ3などおよびそれらの混合物が挙げられる。分子酸素を空気として供給できる。いくつかの実施態様では、金属／メタロイド前駆体組成物は酸素を含んでおり生成物粒子の酸素すべてまたは一部が金属／メタロイド前駆体によって付与されるようになっている。同様に、エアゾール送達のための溶媒／分散液として使われる液体は同様に補助的反応剤、例えば酸素を反応に付与する。言い換えれば、もし１つ以上の金属／メタロイド前駆体が酸素を含んでおりおよび／またはもし溶媒／分散液が酸素を含んでいれば、別の補助剤、例えば蒸気反応剤は生成物粒子に酸素を供給するのに必要とされない。
１つの実施態様では、補助的な反応剤組成物は放射反応区域に入る前にあまり大々的に金属／メタロイド前駆体とは反応しないものとする、なぜならこのようなことが起こるとより大きな粒子が形成されおよび／または注入口ノズルが破損する可能性があるからである。同様に、もし複数の金属／メタロイド前駆体を使う場合は、これらの前駆体は放射反応区域に入る前に大々的には反応しないものとする。もし反応剤が自発的に反応性である場合は、金属／メタロイド前駆体および補助的な反応剤および／または異なる金属／メタロイド前駆体を別の反応剤注入口から反応チャンバへと送達してこれらが光線に到達する直前に組み合わさるようにできる。
光反応性蒸着は、レーザーまたは他の強力な放射源を使ってさまざまな光周波数で行うことができる。便利な光源は電磁スペクトラムの赤外線部分で作動するが、スペクトラムの可視および赤外線領域といった他の波長も使うことができる。エキシマレーザーを紫外線源として使うことができる。ＣＯ2レーザーは赤外線光の特に便利な光源である。反応剤の流れに含ませる（単数または複数の）赤外線吸収剤としては、例えば、Ｃ2Ｈ4、イソプロピルアルコール、ＮＨ3、ＳＦ6、ＳｉＨ4，およびＯ3が挙げられる。Ｏ3は赤外線吸収剤および酸素源の両方として作用できる。赤外線といった（単数または複数の）放射吸収剤は放射ビームからのエネルギーを吸収しエネルギーを他の反応剤へと配達して熱分解を引き起こすことができる。
一般に、放射ビーム、例えば光線は制御された（単数または複数の）条件下での発熱反応によって熱が一般に生み出されるであろう速さの何倍ものすざましい速さで温度を上昇させる。本プロセスは一般に非均衡条件を必要とするが、温度は吸収領域のエネルギーに基づいてほぼ記載することができる。光反応性蒸着プロセスはレーザー熱分解プロセスと同様、燃焼反応器でのプロセスとは定性的に異なり、エネルギー源が反応を開始するが反応は発熱反応によって放出されるエネルギーによって引き起こされる。従って、粒子収集のための光駆動プロセスはレーザー熱分解と称されるが従来の熱分離ではない。なぜなら反応は反応から放出されるエネルギーによって引き起こされるのではなく放射ビームから吸収されたエネルギーによって引き起こされるからである。特に、反応剤の自発的な反応は一般には大きく進行することはなく、もし全く進行しなければ、放射ビームが反応剤の流れと交差する点からノズルに向かって反応剤の流体を後退させる。必要であれば、流体を改質して反応区域が制限されたままとすることができる。
不活性遮断ガスを使うことで、反応剤チャンバ構成部材に接触している反応剤および生成物分子の量を少なくできる。不活性ガスはまたキャリアガスおよび／または反応減速器として反応剤の流れに導入することもできる。適切な不活性ガスとしては一般に、例えばＡｒ、ＨｅおよびＮ2が挙げられる。
本願で説明する反応剤送達構造に基づく粒子生産速度は少なくとも約５０ｇ／時間、他の実施態様では少なくとも約１００ｇ／時間の範囲、さらなる実施態様では少なくとも約２５０ｇ／時間の範囲、さらに別の実施態様では少なくとも時間当たり約１キログラム（ｋｇ／時間）の範囲、そして一般には少なくとも約１０ｋｇ／時間までの範囲でもたらすことができる。
一般に、生成物粒子に組み込まれる流体中の金属／メタロイド核の一部によって評価されるように、比較的高い反応歩留まりを得つつこのような速い生産速度を達成でき、この生成物粒子の一部は粉体コーティングに組み込まれる。一般に、歩留まりは制限された反応剤に基づいて少なくとも約３０パーセントの範囲であり得、他の実施態様では少なくとも約５０パーセントであり、さらなる実施態様では少なくとも約６５パーセントの範囲であり、他の実施態様では少なくとも約８０パーセントの範囲であり、さらに別の実施態様では反応剤の流体中の金属／メタロイド核に基づいて少なくとも約９５パーセントである。当業者であれば、これらの特定の値内で粒子生産速度と歩留まりのさらに別の値を思いつきこれらが本開示の範囲内であることを認識するであろう。
粒子蒸着
特に関心の的となっている実施態様では、粉体コーティングは光反応性蒸着によって形成される。光反応性蒸着では、生成物粒子の非常に均一な流体が形成されコーティングすべき基板に向けて送り出される。その結果、ガラスまたは結晶のような光学材料内に粒子コーティングを形成することができる。特に粉体コーティングは、密度を高めることで、粉体コーティングの後に、高品質の光学コーティングに処理することが可能である。
光反応性蒸着／放射ベースの反応性蒸着は、強い放射源、例えば光源を使うことで流動する反応剤の流れから所望の組成物の合成を引き起こすコーティング方法である。光反応性蒸着により粉体を蒸着できるが、表面に蒸着された熱い粒子はその温度が原因で蒸着プロセス中に部分的に溶融する場合がある。一般に、生成物流体中の粒子は本願で説明するように、固体粒子、液体粒子、および完全に固化するまでには十分に冷却されていない軟化流体であり得る。光反応性蒸着は反応区域で放射ビームと交差する流動する反応剤の流れを必要とし、この反応区域で反応生成物は粒子を形成し少なくともその一部がその後基板に蒸着される。レーザー熱分解で生成される粒子は後で使用するために収集されるが、光反応性蒸着では、得られる組成物は基板表面に向けて送り出されコーティングが形成される。
非常に均一な粒子を生産できるレーザー熱分解の特徴は、コーティング形成に関する特性にさらに注目しつつ非常に均一なコーティングの生産で同じく実現することができる。特に、レーザー反応区域が良好に定義されていると均一なサイズの粒子および均一なコーティング特性を導く組成が得られる。レーザービームの形状は制御して非常に均一な加熱、核形成、および焼き入れ条件下で粒子を生産するようにできる。粒子サイズが均一であるとパッキングが均一となり溶解がより制御されて得られる固化膜が均一で再現可能な厚みとなる。粒子の組成が均一であると屈折率の均一性および再現性が改善される。フラッシュ蒸発器を使って反応剤を送達すると化学物質送達の均一性が改善され、これにより粒子の化学組成の均一性がさらに改善される。さらに、層の形成にあたって二次元的に基板を走査することを必要とする他の方法と異なり、細長い反応剤の注入口は生成物の流れを１回または２，３回通れば均一なコーティング層が蒸着されるようになっていて、多数の縞を一緒にステッチしなくてもよいようになっている。
光反応性蒸着では、基板のコーティングは反応チャンバとは別のコーティングチャンバで行うことができ、またはコーティングは反応チャンバ内で行うことができる。これらの構成のいずれにおいても、反応剤送達システムはさまざまな組成の粒子を生産できるように構成されている。従って、広範囲のコーティングを形成しさらに処理して光学材料とできる。
反応チャンバとは別のコーティングチャンバでコーティングを行う場合、反応チャンバはレーザー熱分解を行うための反応チャンバと本質的に同じであるが、反応剤のスループットおよび反応剤の流れのサイズはコーティングプロセスに適するように設計できる。これらの実施態様では、コーティングチャンバおよびコーティングチャンバを反応チャンバに接続している導管はレーザー熱分解システムの収集システムに取って代わる。コーティングが反応チャンバ内で行われる場合、基板は反応区域からの流体をさえぎり、その表面上に粒子を直接捕らえる。
細長い反応剤注入口を組み込んだレーザー熱分解装置設計が開発されており、これにより商業化規模の量の粒子が簡単に生産される。具体的には、反応チャンバおよび反応剤注入口は光線にぴったりと沿って細長くなっていて反応剤および生成物のスループットの増加に対応するようになっている。細長い反応剤の流れに沿って光線を送り出すことで、生成物粒子のシートが作り出される。この設計は、本願でその全体を参考文献として援用するＢｉらによる「化学反応による粒子の効率的な生産」という名称の米国特許第５，９５８，３４８号に記載されている。
商業化規模の能力のあるレーザー熱分解装置についてのさらなる実施態様および他の適切な特徴は、本願でその全体を参考文献として援用するＭｏｓｓｏらによる「粒子生産装置」という名称の係属中で一般に譲渡されている米国特許出願シリアル番号第０９／３６２，６３１号に記載されている。以下にさらに説明するように、ガス／蒸気反応剤および／またはエアゾール反応剤の送達は細長い反応チャンバ設計に合うように適応させることができる。レーザー熱分解により粉体を商業規模で生産するためのこれらの設計は、光反応性蒸着によって高品質の光学材料を急速にコーティングして適応させることができる。
細長い反応剤注入口の大きさはコーティングすべき基板のサイズに基づいて選択できる。いくつかの実施態様では反応剤注入口は基板の直径または他の寸法、例えば幅よりもいくらか大きく、基板全体が生成物の流れを１回通過すればコーティングできるようになっている。他の実施態様では、基板は反応剤注入口から十分遠く離れて配置され生成物粒子の流れが基板に到達する前に十分に拡散して基板の広い領域が同時にコーティングできるようになっている。
一般に、細長い反応剤注入口を備えた粒子生産装置はチャンバ壁の汚染を少なくして生産能力を高め資源を効率的に利用するように設計されている。チャンバ設計により、細長い反応チャンバは蒸着中に他の性能特性を損なうことなく反応剤および生成物のスループットの増加に対応できる。チャンバの死空間は未反応化合物および／または反応生成物で汚染されてよい。さらに、遮蔽ガスを適切に流すと反応剤および生成物を反応チャンバを通る流体の流れに閉じ込めることができる。反応剤のスループットが高いと放射（例えば光）エネルギーを効率的に利用できる。
光反応性蒸着では、粒子の生産および／または蒸着速度は多数の要因（例えば使用中の開始材、所望の反応生成物、反応条件、蒸着効率など、およびそれらの組み合わせ）に従って実質的に変動される可能性がある。従って一つの実施態様では、粒子生産速度は反応生成物の時間当たり約５グラムから所望の反応生成物の時間当たり約１０キログラムの範囲で変動し得る。具体的には、本願で説明する装置を使うと、時間当たり少なくとも約１０キログラム（ｋｇ／時間）までの範囲で粒子生産速度でコーティングを実行でき、他の実施態様では少なくとも約１ｋｇ／時間（ｋｇ／時間）の範囲で、生産速度のより遅いさらなる実施態様では時間当たり少なくとも約２５０グラム（ｇ／時間）の範囲で、さらに別の実施態様では少なくとも約５０ｇ／時間の範囲で実行できる。当業者であれば、これらの明白な生産速度の中間の生産速度を思いつきこれらが本開示の範囲内であることを認識するであろう。粒子生産速度の例としては（時間当たり生産されるグラムでの単位）約５、１０、５０、１００、２５０、５００、１０００、２５００、５０００または１００００を下らない範囲が挙げられる。
生成される粒子すべてが基板に蒸着されるというわけではない。一般に蒸着効率は、生成物粒子のシートを通って基板を移動させることに基づく実施態様の場合、生成物の流れを通る基板の粒子に対する相対的速度によって決まる。蒸着効率に影響する他の要因としては、例えば、粒子組成、粒子温度および基板温度が挙げられる。基板の移動が中程度の相対速度では、約１５から約２０パーセントを下らない範囲のコーティング効率が達成された、すなわち、生産された粒子の約１５から約２０パーセントが基板表面に蒸着される。ルーチンを最適化するとこの蒸着効率をさらに高めることができる。生成物粒子の流れを通る基板の相対移動がより低速な場合は、少なくとも約４０パーセントの範囲の蒸着効率が達成され、８０パーセント以上もの高い値とできる。いくつかの実施態様では粒子生産速度は、時間当たり少なくとも約５グラム、あるいはまたはこれに加えて少なくとも時間当たり約２５グラムの範囲の反応生成物が基板に蒸着されるような範囲である。一般に、達成可能な粒子生産速度および蒸着効率とすると、蒸着速度は少なくとも約５ｇ／時間の範囲とでき、他の実施態様では少なくとも約２５ｇ／時間の範囲、さらなる実施態様では少なくとも約１００ｇ／時間から約５ｋｇ／時間の範囲、さらに他の実施態様では約２５０ｇ／時間から約２．５ｋｇ／時間の範囲とできる。当業者であれば、これらの明白な生産速度の間の生産速度を思いつきこれらが本開示の範囲内であることを認識するであろう。粒子蒸着速度の例としては（時間当たり蒸着されるグラムでの単位）約０．１、０．５、１、５、１０、２５、５０、１００、２５０、５００、１０００、２５００、または５０００を下らない範囲が挙げられる。
あるいはまたはこれに加えて、本発明ではコーティングされる基板の所望の仕様により基板および粒子流体の移動速度が互いに対して実質的に変動し得る。従って、１つの実施態様では速度は絶対尺度で測定でき、秒当たり少なくとも約０．００１インチの範囲で変動し得、他の実施態様では秒当たり少なくとも約０．０５インチ、さらなる実施態様では秒当たり約１インチから秒当たり約１２インチ、またはそれ以上変動し得る。当業者であればさらに別の範囲およびこれらの明白な範囲内のサブレンジを思いつきこれらは本開示内に含まれることがわかるであろう。さらに、別の実施態様では、速度はコーティング中の基板に対する尺度で測定でき、分当たり約０．０５基板から秒当たり約１基板の範囲で変動し得る。
適切なウェハ／基板サイズとするには、分当たり２ミクロンの範囲の速度、他の実施態様では、分当たり少なくとも約５ミクロンの範囲、いくつかの実施態様では分当たり少なくとも約２０ミクロンの範囲、さらなる実施態様では分当たり少なくとも約１００ミクロンの範囲で基板表面の少なくとも実質的な部分が十分な厚みでコーティングされて固化した材料を形成できるようにする。ここで厚みとは固化した材料を特定の厚みで形成するのに十分な厚みのある粉体コーティングを意味する。当業者であればこれらの明白な範囲内のさらに別の範囲を思いつきこれらが本開示の範囲内であることを認識するであろう。
生成物粒子のシートを使う適切な実施態様の場合、相対的な基板移動の速度は一般に、所望の速度で基板を移動させると同時に所望のコーティング均一性を得ることによって制限されるように、選択された蒸着速度および所望のコーティング厚みの関数である。生成物粒子の流れを通って基板がスイープされる実施態様では、基板は固定ノズルに対して移動させることができまたはノズルを固定の基板に対して移動させることができる。光反応性蒸着では速い蒸着速度を達成でいるため、非常に速いコーティング速度を簡単に実現できる。光反応性蒸着によるこれらのコーティング速度は、競合する方法により達成される速度よりも劇的に速い。特に、粉体密度がかさ密度の約１０％であると仮定した場合に、わずか約２．５％の蒸着効率においてでも、８インチのウェハを、約１０ｋｇ／時間の粒子生産速度にて、約１秒間で約１０ミクロンの粉体の厚みでコーティングすることができる。当業者であれば、簡素な形状原則によりコーティング速度、蒸着速度、所望の厚みおよび基板上の粉体の密度から選択される１つ以上の他の変数に基づいて以下の変数のいずれでも計算することができる。
特に、本願で説明する、反応チャンバ内で基板を生成物粒子の流れに通すアクチュエータアームに基づいた装置設計はウェハを約１秒以下でコーティングできる速度で基板をまっすぐに移動させることができる。一般に、特に関心の的となっている、達成可能な高速速度を利用する実施態様において、基板は、少なくとも約０．１センチメートル／秒（ｃｍ／秒）の速度範囲（単数または複数）にてコーティングされ、さらなる実施態様では、少なくとも約０．５ｃｍ／秒の速度範囲（単数または複数）にて、別の実施態様では、少なくとも約１ｃｍ／秒の速度範囲にて、またさらなる実施態様では、約２ｃｍ／秒から約３０ｃｍ／秒の速度範囲（単数または複数）にて、また別の実施態様では、約５ｃｍ／秒から約３０ｃｍ／秒の速度範囲（単数または複数）にてコーティングされる。当業者であれば、これらの明白な速度の中間のコーティング速度を思いつきこれらが本開示の範囲内であることを認識するであろう。
さらに、高速生産速度を有利に利用することでコーティング間が固化しているまたはしていない複数の流体コーティングを形成できる。それぞれのコーティングは層全体または層の一部を覆うことができる。１つの層内または層同士で組成を変えることができる。層同士で大幅に組成を変える場合は、生成物の流れが安定するまで数分間待つのが望ましい場合がある。
生成物粒子の１枚のシートを精製するための細長い反応チャンバ１００の設計を図１に概略的に示す。反応剤注入口１０２はメインチャンバ１０４につながっている。反応剤注入口１０２はメインチャンバ１０４の形状にほぼ一致している。メインチャンバ１０４は、粒子状の生成物、どのような未反応ガスおよび不活性ガスも取り除くための反応剤／生成物の流れに沿った出口１０６を備えている。反応剤注入口１０２の両側に遮蔽ガス注入口１０８が配置されている。遮蔽ガス注入口を使うことで反応剤の流れの側面に不活性ガスのブランケットを形成してチャンバ壁および反応剤または生成物が接触しないようにしている。細長い反応チャンバ１０４および反応剤注入口１０２の寸法は粒子生産を高い効率で行えるように設計できる。数キロワット範囲の電力を持つＣＯ2レーザーとともに使われる場合、ナノ粒子を生産するための反応剤注入口１０２の合理的な寸法は約５ｍｍから約１メートルである。
管状セクション１１０、１１２がメインチャンバ１０４から延びている。管状セクション１１０，１１２はそれぞれウインドウ１１４、１１６を保持して反応チャンバ１００を通る光線経路１１８を定義している。管状セクション１１０、１１２は管状セクション１１０、１１２に不活性ガスを導入するための不活性ガス注入口１２０、１２２を備えることができる。
出口１０６はコーティングチャンバに向かう導管につながることができる。反応区域は反応チャンバ内に配置されている。適切な実施態様の場合、寸法を変化させることで必ずしも反応チャンバからコーティングチャンバへの導管への転移の境界がはっきり定められるというわけではない。導管は流れの方向の変化をともなってよいが必ずしも流れの変化をともなうというわけではない。あるいはまたはこれに加えて、基板は生成物の流れを妨害して反応剤チャンバ内で基板をコーティングできる。
反応剤注入口１０２は一般には反応剤送達システムに接続されている。図２を参照すると、反応剤送達装置の実施態様１３０は液体、固体、またはガスであり得る前駆体化合物の供給源１３２を備えている。液体または固体反応剤の場合、１つ以上のキャリアガス供給源１３４からの必要に応じたキャリアガスを前駆体供給源１３２に導入して容易に反応剤が送達されるようにできる。前駆体供給源１３２は液体保持コンテナ、固体前駆体送達装置または他の適切なコンテナであり得る。キャリアガス供給源１３４からのキャリアガスは、例えば、赤外線吸収剤、不活性ガスまたはその混合物であり得る。他の実施態様では前駆体供給源１３２は、必ずしもキャリアガスを使わなくても選択された蒸気圧の前駆体を送達できるフラッシュ蒸発器である。フラッシュ蒸発器は前駆体蒸気の選択された部分圧を反応チャンバに送達し、もし適切であれば、反応チャンバにつながっている他の構成部材を加熱することで反応チャンバに入る前に蒸気が濃縮するのを緩和するか排除する。従って、複数のフラッシュ蒸発器を使うことで反応チャンバに複数の蒸気反応剤を正確に送達できる。
前駆体供給源１３２からのガス／蒸気はガス／蒸気を管１４２の単一部分で組み合わせることにより、赤外線吸収剤供給源１３６、不活性ガス供給源１３８および／またはガス状反応剤供給源１４０と混合できる。ガス／蒸気は反応チャンバから十分な距離で組み合わされてガス／蒸気が反応チャンバに入る前に十分に混合された状態となっているようにする。管１４２で組み合わさったガス／蒸気はダクト１４４を通過して、図１の符号１０２のような反応剤注入口に流体連通しているチャネル１４６に入る。
第２の反応剤供給源１４８からさらに別の反応剤前駆体を蒸気／ガスとして供給でき、この供給源は液体反応剤送達装置、固体反応剤送達装置、フラッシュ蒸発器、ガスシリンダまたは他の適切な単一のコンテナまたは複数のコンテナであり得る。図２に示すように、第２の反応剤供給源１４８は管１４２によってさらに別の反応剤をダクト１４４に送達する。あるいは、第２の反応剤供給源は第２の反応剤を第２のダクトに送達して２つの反応剤が反応チャンバに別々に送達されるようにでき、反応剤は反応区域でまたはその近傍で組み合わさる。従って、複合材料および／またはドーピングされた材料を形成する場合、多数の反応剤供給源、および必要に応じて、別々の反応剤ダクトを使って反応剤／前駆体を送達できる。例えば、２５種類という多くの反応剤供給源および／またはダクトが考えられるが、原則的には、もっと多くを使うこともできるであろう。質量流体コントローラ１５０を使うことで図２の反応剤配送システム内のガス／蒸気の流体を調節できる。さらに別の反応剤／前駆体を同様に提供して複合材料を合成することもできる。
上述のように、反応剤の流れは１つ以上のエアゾールを含んでいる。エアゾールは反応剤チャンバ内でまたは反応チャンバ内に注入する前に反応チャンバ外部で形成できる。エアゾールが反応チャンバに注入される前に生成される場合は、エアゾールは図１の反応剤注入口１０２のようなガス状反応剤に使われるものに類似の反応剤注入口を介して導入できる。複合材料を形成する場合、さらに別のエアゾール発生器および／または蒸気／ガス供給源を組み合わせて反応剤の流れに所望の組成物を供給するようにできる。
エアゾール反応剤を送達するように構成された反応剤送達ノズルの１つの実施態様を図３および４に示す。注入口ノズル１６０は下面１６２が反応チャンバに接続している。注入口ノズル１６０は下面１６２にボルト締めされて注入口ノズル１６０を反応チャンバに固定している平面１６２を備えている。注入口ノズル１６０は内側ノズル１６６および外側ノズル１６８を備えている。内側ノズル１６６は、例えば、ノズルの最上部にツインオリフィス内部混合アトマイザ１７０を持つことができる。適切なガスアトマイザはＩＬのＷｈｅａｔｏｎに所在のＳｐｒａｙｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ社から販売されている。ツインオリフィス内部混合アトマイザ１７０はファン形状をしていてエアゾールおよびガス状組成物の薄いシートを生成する。管１７２を介して液体をアトマイザに供給し、反応チャンバに導入するためのガスを管１７４を介してアトマイザに供給する。ガスを液体と相互反応させると液滴の形成に役立つ。
外側ノズル１６８はチャンバセクション１７６、じょうごセクション１７８、および送達セクション１８０を備えている。チャンバセクション１７６は内側ノズル１６６のアトマイザを保持する。じょうごセクション１７８はエアゾールよびガス状組成物を送達セクション１８０へと向かわせる。送達セクション１８０は図３の挿入図に示されている矩形の反応剤開口部１８２につながっている。反応剤開口部１８２はレーザー熱分解または光反応性蒸着のための反応チャンバへの反応剤注入口を形成する。外側ノズル１６８は外側ノズルに集まるどのような液体も取り除くドレイン１８４を備えている。外側ノズル１６８は反応剤開口部１８２を取り囲んでいる遮蔽ガス開口部１８８を形成している外側壁１８６で覆われている。不活性遮蔽ガスは管１９０を介して導入される。１つ以上のエアゾール発生器を使ってエアゾールを細長い反応チャンバへ導く場合のさらに別の実施態様は、本願でその全体を参考文献として援用するＧａｒｄｎｅｒらによる「反応剤送達装置」という名称の米国特許第６，１９３，９３６号に記載されている。
酸素供給源のような補助的な反応剤化合物は、もし存在すれば、反応区域に入る前に金属前駆体と著しく反応すべきでない、なぜならこのような反応が起こると一般に大きな粒子が形成されると思われるからである。しかしながら、反応性前駆体を別のノズルおよび／または特定のノズルにある別の注入口を介して反応剤チャンバに送達して反応剤が反応区域付近に来るまでは組み合わさらないようにできる。
光反応性蒸着は、レーザーまたはアークランプのような他の強力な集束放射源のいずれかを使ってさまざまな光周波数で行える。望ましい光源のいくつかは電磁スペクトラムの赤外線部分で作動する。ＣＯ2レーザーが特に便利な光源である。反応剤の流れに含ませる赤外線吸収剤としては、例えば、Ｃ2Ｈ4、水、イソプロピルアルコール、ＮＨ3、ＳＦ6、ＳｉＨ4およびＯ3が挙げられる。Ｏ3は赤外線吸収剤および酸素供給源の両方として作用する。赤外線吸収剤のような放射吸収剤は放射ビームからのエネルギーを吸収し、そのエネルギーを他の反応剤へ配達して、反応を引き起こす。
一般に、光線から吸収されたエネルギーは、制御された条件下で発熱反応によって一般に熱が生み出される速度の何倍ものものすごい速度で温度を上昇させる。本プロセスは一般に非平衡状態を必要とするが、温度は吸収領域のエネルギーにほぼ基づいて記載できる。光反応性蒸着では反応プロセスは、エネルギー源が反応を開始させるが反応は発熱反応によって放出されるエネルギーによって引き起こされる燃焼リアクタでのプロセスとは定性的に異なる。燃焼リアクタでは、一般には境界によって良好に定義された反応区域はない。反応区域は大きく、反応剤の滞留時間は長い。燃焼リアクタにはより低い熱勾配が一般に存在する。
反対に、レーザー／光で引き起こされる反応は加熱および焼き入れ速度が非常に速い。生成物組成および粒子特性は一般に反応区域の放射力および流体中の放射吸収剤の量で決まる。反応剤流体の組成および反応区域の光強度を制御することにより、反応生成物は再現可能に制御できる。反応区域の効果的な温度は広範囲にわたって制御でき、例えば、約室温（例えば２０℃）から約３０００℃の範囲で制御できる。光反応性蒸着では、反応区域は主に光線および反応剤の流れとの重複部分に存在しているが、反応区域は反応の正確な特徴次第で光線よりも例えば数ミリメートル延長させてもよい。放射／光駆動リアクタの反応区域を離れた後、粒子はその温度により反応がすでに終了した後でもいくらか流体／やわらかい場合がある。
不活性シールドガスを使用することで、反応剤と、反応剤チャンバコンポーネントに接触する生成物分子との量を低減することができる。さらに不活性ガスは、キャリアガスおよび／または反応モデレータとして反応剤の流れの中内に導入することができる。適切な不活性シールドガスは、例えばＡｒ、Ｈｅ、Ｎ2を含む。
レーザー熱分解装置は光反応性蒸着に適用できる。適用の本質はコーティングが反応チャンバでおこなわれるか別のコーティングチャンバ内で行われるかどうかによって決まる。いずれの実施態様でも、反応チャンバへの反応剤送達注入口は一般に、蒸着プロセスに望ましい寸法の生成物の流れを生み出すような寸法の反応剤の流れを送達するように構成されている。例えば、いくつかの実施態様では、反応剤注入口は基板の寸法とほぼ同じサイズかわずかに大きい長さとされて、基板を生成物の流れに１回通過させれば過剰な量の生成物を浪費することなく基板の全寸法に沿って基板をコーティングできるようになっている。
レーザー熱分解装置の出口は別のコーティングチャンバ内で基板をコーティングするように適応させることができる。別の反応チャンバおよびコーティングチャンバを備えたコーティング装置を図５に概略的に示す。コーティング装置２００は反応チャンバ２０２、コーティングチャンバ２０４、反応チャンバ２０２をコーティングチャンバ２０４に接続している導管２０６、コーティングチャンバ２０４から出ている出口導管２０８、および出口導管２０８に接続しているポンプ２１０を備えている。バルブ２１２を使うことでポンプ２１０への流れを制御できる。バルブ２１２は例えばマニュアルニードルバルブまたはオートマチックスロットルバルブであり得る。バルブ２１２を使うことでポンピング速度および対応するチャンバ圧力を制御できる。収集システム、フィルタ、スクラバなど２１４をコーティングチャンバ２０４とポンプ２１０との間に配置することで基板表面にコーティングされない粒子を除去できる。
図６を参照すると、粒子生産装置２０２からの導管２０６はコーティングチャンバ２０４につながっている。導管２０６はチャンバ２０４内の開口部２１６で終わっている。いくつかの実施態様では、導管開口部２１６は基板２１８の表面付近に配置されて粒子の流れの運動量が粒子を基板２１８の表面に直接向かわせるようになっている。基板２１８はステージまたは他のプラットフォーム２２０上に搭載することで基板２１８を開口部２１６に対して配置できる。
粒子生産装置からの導管に対して基板を配置するステージの１つの実施態様を図７に示す。粒子ノズル２３０は粒子を回転ステージ２３２に直接向かわせる。図７に示すように、４枚の基板２３４がステージ２３２に搭載される。相応の改変をステージおよびチャンバのサイズに加えることでより多くのまたはより少ない基板を可動ステージに搭載できる。モータを使ってステージ２３２を回転させる。生成物粒子流体を通る基板をスイープするのに他の設計のステージ、コンベヤなども使える。
ステージ２３２が動くことでノズル２３０の経路内の１枚の特定の基板２３４の表面全体にわたって粒子の流れがスイープされる。ステージ２３２を使うことで基板を連続的に生成物の流れの中を通過させそれぞれの基板に１回以上のコーティングを施すことができる。ステージ２３２は、ステージ２３２上の基板の温度制御をおこなう熱制御特性を備えることができる。他の設計としてはステージの線形運動または他の運動があげられる。他の実施態様では、粒子の流れは集束されず、生成物の流れに対して基板を動かすことなく基板全体またはその所望の部分が同時にコーティングされるようにする。
反応チャンバ内でコーティングが行われる場合、基板は反応区域から流れる生成物組成物を受けるように搭載される。組成物／粒子は固体粒子に完全に固化されていない場合があるが、焼き入れは固体粒子を形成するのに十分速くできる。組成物が固体粒子に固化されていてもいなくても粒子は非常に均一とできる。反応区域から基板までの距離は所望のコーティング結果が得られるように選択できる。いくつかの実施態様では、基板は反応区域付近に搭載される。一般に基板／ウェハは、放射ビーム縁部、すなわち放射強度が最大ビーム強度の１／ｅ2倍であるポイントの下流軌跡から測定される反応剤流体ベクトルに同軸に約１ミリメートル（ｍｍ）から約１メートルの範囲で配置され、他の実施態様では、約２ｍｍから５０センチメートル（ｃｍ）の範囲で配置され、さらなる実施態様では約３ｍｍから約３０ｃｍの範囲で配置されるが、１ｍｍ未満の距離および／または１メートルを上回る距離が有用である環境もあると考えられる。当業者であれば、基板距離の明示された範囲内のさらに別の範囲を思いつきこれらが本開示の範囲内であることを理解するであろう。基板が反応区域により近い場合は、コーティングプロセスはより動的である。なぜなら良好に定義された生成物の流れを所望の基板位置に向けることができるからである。しかしながら基板が反応区域からより離れて配置される場合は、コーティングプロセスは生成物粒子のより拡散した雲が基板に向けられるという意味でより静的となる。
反応チャンバ内で基板コーティングを行うための装置２５０を図８に概略的に示す。反応／コーティングチャンバ２５２は反応供給システム２５４、放射源２５６、および出口２５８に接続されている。出口２５８はポンプ２６０に接続できるが、反応剤の流れ自体からの圧力はシステムを通る流れを維持できる。バルブ２６２を使うことでポンプ２６０への流れを制御できる。バルブ２６２を使ってポンピング速度および対応するチャンバ圧力を調整できる。収集システム、フィルタ、スクラバなど２６４をチャンバ２５２とポンプ２６０との間に配置することで基板表面にコーティングされない粒子を除去できる。
基板２６６は反応区域２６８からの流れに接触できこれにより基板は生成物粒子／粉体でコーティングされる。基板２６６はステージ、コンベヤなど２７０に搭載できこれにより流体を通じて基板２６６をスイープできる。具体的には、ステージ２７０はアクチュエータアーム２７２または他のモータ付装置に接続できこれによりステージ２７０は生成物の流れを通じて基板をスイープできる。生成物が反応区域を離れるにつれて基板表面全体にコーティングをスイープするさまざまな構成を使うことができる。図８に示すように、アクチュエータアーム２７２はステージ２７０を平行移動させることで生成物の流れを通じて基板２６６をスイープする。
類似の実施態様を図９および１０に拡大図で示す。基板２８０は右向きの矢印で表示されているように反応剤ノズル２８２に対して移動する。反応剤ノズル２８２は基板２８０の真上に配置される。光線を経路２８４に沿って送り出す適切な光学素子によって光路２８４が定義されている。光路２８４はノズル２８２と基板２８０との間に配置されて基板２８０の表面の真上の反応区域を定義している。高温の粒子はより冷たい基板表面に引き付けられやすい。
図９および１０を参照すると、基板が反応区域を越えて走査されるにつれて粒子コーティング２８６が形成される。一般に、基板２８０はコンベヤ／ステージ２８８上で運搬される。コンベヤ／ステージ２８８は図８に示すようにアクチュエータアームに接続できる。他の実施態様では、ローラおよびモータ、連続ベルトコンベヤ、または基板を平行移動させるための公知の設計を含むさまざまな設計のいずれかを使って基板を運搬できる。
いくつかの実施態様では、コンベヤ２８８の位置を調節して基板２８６から反応区域への距離を変えることができる。基板から反応区域への距離を変更すると基板に衝突する粒子の温度が対応して変化する。基板に衝突する粒子の温度は一般に、得られるコーティングの特性、およびコーティングのその後の熱処理固化をはじめとするその後の処理の要件を変える。基板と反応区域との間の距離は経験的に調整することで所望のコーティング特性を生み出すことができる。さらに、基板を支持しているステージ／コンベヤは熱制御特性を備えることができ、基板の温度をより高いまたは低い温度に所望のように調整できる。
コーティング構成のいずれについても、流体が基板と交差することで流体の軌道が偏向する。従って、基板による流体の方向の変化を考慮して反応チャンバ出口の位置を変えることが望ましい場合がある。例えば、反射された流体を出口に向かわせるようにしおよび／またはそれに従って出口に位置を変えるようにチャンバ設計を変えるのが望ましい場合がある。他の流体構成の１つの特定の例を以下の実施態様に示す。
光反応性蒸着装置の具体的な実施態様を図１１に示す。装置３００はＣＯ2レーザー光源３０２、反応剤送達システム３０４、反応チャンバ３０６、および排気システム３０８を備えている。この実施態様では、反応剤送達システム３０４は特に蒸気／ガス状反応剤の送達用に構成されている。ドーピングシリカガラスを形成するためのいくつかの具体的な反応剤を使う場合の具体的な図を示しているが、本願の開示に基づいて他の反応剤もさらに含ませるかまたは代わりに使うことができる。
反応剤送達システム３０４を図１２に概略的に示す。図１２に示すように反応剤送達システム３０４は、ガス送達サブシステム３１２と、混合サブシステム３１６に連結している蒸気送達システム３１４とを備えている。ガス送達サブシステム３１２は反応チャンバにガスを送達するためにガスシリンダなどのような１つ以上のガス供給源を備えることができる。図１２に示すように、ガス送達サブシステム３１２はホウ素前駆体供給源３２０、酸素供給源前駆体３２２、不活性ガス供給源３２４、および光吸収ガス供給源３２６を備えている。ガスはガスマニホルド３２８で組み合わさりここでガスは混ざり合うことができる。ガスマニホルドは安全のため圧力解放バルブ３３０を持つことができる。不活性ガス供給源３２４も使うことで、外部光源からの光をチャンバ３０６へと向かわせるのに使われるウィンドウ／レンズ３３２、３３４に隣接するチャンバ内に不活性ガスを供給できる。
蒸気送達サブシステム３１４は複数のフラッシュ蒸発器３４０、３４２、３４４を備えている。フラッシュ蒸発器はそれぞれ液体貯蔵部に接続して適切な量の液体前駆体を供給できる。適切なフラッシュ蒸発器は、例えばＭＫＳ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ社から販売されており、または簡単に入手できる構成部材で作成できる。図１２に示すように、フラッシュ蒸発器３４０、３４２、３４４はそれぞれシリコン前駆体、ゲルマニウム前駆体、およびリン前駆体を供給する。フラッシュ蒸発器は選択された部分圧の特定の前駆体を送達するようにプログラムできる。フラッシュ蒸発器からの蒸気は、共通の供給ライン３４８に蒸気を送り出すマニホルド３４６に向かって送り出される。蒸気前駆体は共通の供給ライン３４８内で混ざり合う。
ガス送達サブシステム３１２からのガス成分および蒸気送達サブシステム３１４からの蒸気成分は混合サブシステム３１６内で組み合わさる。混合サブシステム３１６は、ガス送達サブシステム３１２および蒸気送達サブシステム３１６からの流体を組み合わせるマニホルドである。混合サブシステム３１６では、入力物は異なる圧力の異なる蒸気およびガスの組み合わさった流れの混合を改善するように送り出される。混合ブロックは傾斜した終端を備え、より低い圧力減への逆流を減少させる。導管３５２は混合システム３５０から反応チャンバ３０４につながっている。
別の遮蔽ガスシステム３６０を使うことで不活性遮蔽ガスを反応チャンバ３０４の移動ノズルアセンブリへと送達できるが、不活性ガス供給源３２４を使うことで不活性ガスを移動ノズルの外部セクションに供給できる。ノズルの外部セクションからの遮蔽ガスは反応剤前駆体の流れを光反応区域へと導くガイドして作用する。
熱コントローラ３６２を使って伝導ヒータなどを通る熱を蒸気送達サブシステム、混合システム３５０、および導管３５２にわたって制御することにより前駆体蒸気の濃縮を緩和または排除できる。適切な熱コントローラとしては、Ｏｍｅｇａ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ社（Ｓｔａｍｆｏｒｄ、ＣＴ）から販売されているモデルＣＮ１３２がある。前駆体の流れ全体をＵｎｉｔｅｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ社（Ｗｅｓｔｂｕｒｙ、ＮＹ）から販売されているＤＸ５コントローラによって制御／モニタする。１つ以上の蒸気／ガス前駆体の流れを制御する質量流体コントローラ（Ｍｙｋｒｏｌｉｓ Ｃｏｒｐ社、Ｂｉｌｌｅｒｉｃａ、ＭＡ）にＤＸ５機器を接続することができる。システムのオートメーションは、Ｂｒｏｏｋｓ−ＰＲＩ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ社（Ｃｈｅｌｍｓｆｏｒｄ、ＭＡ）のコントローラと一体化される。
反応チャンバ３０６はチャンバ構造体３７０、ウェハマウント３７２、および移動ノズルシステム３７４を備えている。図１３を参照すると、チャンバ構造体３７０はスタンド３８０に存在している。チャンバ構造体３７０は、かけがね３８４で閉じた状態で固定されているハッチ３８２を備えている。チャンバ構造体３７０はまた、レーザー３０２からの光を受光するように配置されているウィンドウ３８６、および電力計（図示せず）に接続できる、光を出すためのウィンドウ３８８を備えている。ウィンドウ３８６は円筒形レンズのようなレンズを備えることができる。チャンバ構造体３７０は封止ポート３９０、３９２を介して移動ノズルシステム３７４に接続している。チャンバ構造体３７０は４つの通気孔４００、４０２、４０４、４０６を介して排気システム３０６に接続している。図１４を参照すると、チャンバ構造体３７０はさらに、導管３５２で反応剤送達システム３０２を移動ノズルシステム３７４に接続する反応剤ポート４０８を備えている。図１５を参照すると、バッフル４１０、４１２が流体を通気孔４００、４０２、４０４、４０６に導いている。
ウェハマウント３７２は、アルミニウムウェハマウント４２６内のブラケット４２４にウェハ４２２で支持されたウェハホルダ４２０を備えている。図１６を参照すると、ウェハホルダ４２０が装置とは別に示されている。ウェハホルダ４２０はウェハを保持するための３本のピン４２６を備えているが、異なる本数のピンを望ましいように使ってよい。図１７に断面図を示しており、ピン４２６によってウェハ４２２が支持されている。コーティングプロセス中の粒子の流れを矢印で示す。ピン４２６と離れて、ウェハホルダ４２０およびウェハ４２２は小さな隙間を残してほぼ平坦な連続的な表面を形成して、ウェハの縁部に沿ったコーティング蒸着のエッジ効果が緩和または排除されるようにする。ウェハホルダの形成に適した材料としては、例えば、アルミニウム酸化物またはモリブデンが挙げられる。
２位置シャッタ４２８は選択的に開閉してウェハ４２２を露光（開放）または遮蔽（閉鎖）できる。アルミニウムウェハマウント４２６はシャフト４３０を備えておりこれはチャンバ構造体３７０に接続しているマウント４３６によって支持されているＯリングシール４３４を介してＤＣモータ４３２に接続している。この構造により、ウェハ４２２を回転させることができる。例えば、ウェハはコーティング実行間、または所望であれば１回のコーティング実行内、または連続的に１回のコーティング実行全体にわたって例えば９０度または１８０度回転させることができる。いくつかの実施態様では、分当たりの回転の場合、適切なモータが約数百回の速度でウェハを回転させることができる。
移動ノズルシステム３７４は移動マウント４８０および駆動システム４８２を備えている。移動マウント４８０はマウンティングブラケット４８４、４９６、ノズル４８８、およびミラーマウント４９０、４９２を備えている。マウンティングブラケット４８４、４８６はノズル４８８とミラーマウント４９０、４９２を接続している。ノズル４８８はフランジ４９４、４９６でマウンティングブラケット４８４、４８６と接続している。ノズル４８８はまたじょうごセクション５００および金属格子５０４を持つ矩形セクション５０２も備えている。じょうごセクションはオリフィス５０６から矩形セクション５０２へと拡張している。柔軟管５０８がオリフィス５０６を反応剤ポート４０８に接続して、ノズルが移動するにつれてノズルが反応剤送達システムに接続したままとなるようになっている。特定の実施態様では、矩形セクションは図１８の上面図に概略的に示すように０．０８インチ×４．６５インチの寸法の矩形の断面を持っているが、他の比率の長さまたは幅も使える。金属格子５０４はじょうごセクション５００から流体を分けることで矩形セクション５０２により均一な流体を提供している。流体リアクタのノズル設計は、本願でその全体を参考文献として援用するＧａｒｄｎｅｒらによる「流動リアクタ内の反応剤ノズル」という名称の係属中であり一般に譲渡されている米国特許出願第１０／１１９，６４５号にさらに記載されている。図１４を参照すると、ミラーマウント４９０、４９２がそれぞれマウンティングブラケット４８４、４８６から延びている。ミラーマウント４９０、４９２はまたそれぞれミラー５１０、５１２も備えており、これらは例えば放物線状または円筒型に集束する銅製ミラーとできる。ミラーは水冷される。ミラー５１０、５１２間の光路を図１４に矢印で示す。ミラーマウント４９０、４９２は支持ブラケット５１４、５１６で駆動システム４８２と接続している。
図１３を参照すると、駆動システム４８２は二重リニアマニピュレータ５２０およびモータ５２２を備えている。１つの実施態様では、モータはマニピュレータアームに連結しているマグネットを移動させてそれがマニピュレータアームの運動を制御するようになっている。マニピュレータアームが移動することによりブラケット／ノズルシステムが移動する。運動全体にわたる速度および加速度は正確に制御できる。適切なモータはＰａｃｉｆｉｃ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社（Ｒｏｃｋｆｏｒｄ、ＩＬ）から販売されているモデルＰ２２ＮＲＸＢ−ＬＮＮ−ＮＦ−００である。二重リニアマニピュレータ５２０はモータインターフェースロッド５２６を持つモータインターフェースブラケット５２４を備えている。モータインターフェースブラケットは図１９に示すように第１のシャフト５２８および第２のシャフト５３０に接続している。第１のシャフト５２８はストップ５４０および第１の支持シャフト５４２を備えており、第２のシャフト５３０はストップ５４４および第２の支持シャフト５４６を備えている。ストップ５４０、５４４は、ストップ５４０、５４４がポート３９０、３９２に接触すると二重リニアマニピュレータ５２０の運動を制限する。支持シャフト５４２、５４６は、Ｏリングで封止されているポート３９０、３９２を通ってそれぞれスライドする。さらに、不活性ガスをトランスレータアームの背後から流してチャンバをきれいにしアームを粒子からよりきれいに保てる。支持シャフト５４２、５４６は図１４に示すように支持ブラケット５１４、５１６でそれぞれ移動ノズルシステム３７４に接続している。
支持シャフトは移動ノズルシステム３７４を支持している。さらに、チャンバ３７０は支持トラックを備えて移動ノズルシステムの支持を手助けする。例えば、ガイドレールをチャンバのそれぞれの側面に設けることができる。ガイドレールは平行移動中に確実に均一性が得られる手助けをする。いくつかの実施態様では、アームは案内レールを転がるフランジ付きルーロンベアリングを備えている。
１つの実施態様では、図１３に概略的に示すように排気システム３０８は導管５６０を備えている。導管５６０はそれぞれ通気孔４００、４０２、４０４、４０６に接続しているチャネル５６６、５６８、５７０、５７２を備えている．排気システム３０８はさらに粒子フィルタ５７４、２つのインラインＳｏｄａｓｏｒｂ（登録商標）（Ｗ．Ｒ．Ｇｒａｃｅ）塩素トラップ５７６、５７８およびポンプ５８０を備えている。導管５６０は粒子フィルタ５７４に接続しており、Ｓｏｄａｓｏｒｂ（登録商標）トラップ５７６、５７８は粒子フィルタ５７４とポンプ５８０との間に設けられて塩素がポンプを損なわないようにする。第２の塩素トラップ５７８からのラインはポンプに直接つながることができる。適切なポンプはＥｄｗａｒｄｓ社から販売されている、モデルＱＤＰ８０のような乾燥回転ポンプである。
蒸着プロセス中の基板の温度は特定の目的を達成するように調整できる。例えば、基板は蒸着プロセス中に冷却できる。なぜなら比較的低温の基板は熱可塑力によりその表面に粒子を引き付けることができるからである。しかしながら、いくつかの実施態様では、蒸着プロセス中に基板を例えば約５００℃に加熱する。基板が反応区域に十分近い実施態様では、粒子は基板表面に到達すると半溶解状態となる場合がある。半溶解粒子は衝突すると変形する場合があり変形によりより良く積層する場合がある。さらに、粒子は小型となりやすく加熱された基板上で溶融しやすく、もしコーティングが加熱された基板上に最初に形成された場合はコーティングがその後ガラスまたは他の材料に簡単に固化するようになっている。
シリコンガラス蒸着および光学装置の場合について、光反応性蒸着によるコーティングの形成は一般に、本願でその全体を参考文献として援用するＢｉらによる「反応性蒸着によるコーティング形成」という名称の係属中で一般に譲渡されている米国特許出願第０９／７１５，９３５号、および本願でその全体を参考文献として援用する、２００１年１０月１６日に出願された「反応性蒸着によるコーティング形成」という名称の係属中で一般に譲渡されている米国シリアル番号第ＰＣＴ／ＵＳ０１／３２４１３号のＰＣＴ出願にさらに記載されている。
反応区域につながる流体のシートとして良好に定義された反応剤の流れは反応からの熱により反応区域後広がる傾向がある。基板が反応区域付近で反応区域に対してスイープされる場合は、流体の広がりはあまり大きくない場合がある。いくつかの実施態様では、反応区域から遠く離れたところで基板を流体に接触させて流体が大きく広がり基板全体または基板の所望の部分が基板を移動させること無く同時にコーティングできるようにするのが望ましい場合がある。粒子の均一なコーティングを得るのに適した距離は基板のサイズおよび反応条件次第で決まる。直径４インチのウェハには典型的な約１５センチメートルという距離が適切であろう。放射ビームからのウェハの距離の範囲についての概論は上で述べた。
基板表面全体を同時にコーティングするこれらの実施態様の場合、生成物粒子流体の組成が蒸着プロセス中に間に合って変更される場合、粒子の組成はコーティングの厚みにわたって変わる。組成が連続的に変わる場合、層にわたって連続的な組成勾配が得られる。一般に、光学材料については、第１組成から第２組成への連続した組製変更を有する連続的な組製勾配層の厚みは約３００ミクロンを超えることはなく、別の実施態様では、約１５０ミクロンを超えることはなく、さらなる実施態様では、約５００ｎｍから約１００ミクロンの範囲（単数または複数）内であり、さらに別の実施態様では、約１ミクロンから約５０ミクロンの範囲内である。当事者であれば、その明白な範囲内の他の範囲およびサブレンジを思いつきこれらは、本開示内に含まれることを認識するであろう。あるいはまたはさらに加えて、勾配はもし構造体が複数の層内に形成される場合は、表面に平行といったように１つの層または複数の層内に、例えば基板表面または層化構造体に垂直なｚ軸に対するｘ−ｙデカルト座標の１つ以上の寸法に沿って形成できる。
あるいは、組成は増分的にまたは離散的に変化させて組成が変動している層を生成でき、この場合２つの組成または離散的な組成の違いを持つ離散的な層間の組成の勾配的な変化も含めることができる。得られる転移材料は組成が第１の組成から第２の組成へと段階的に変化する。一般に、第１の組成および第２の組成は隣接する層の組成であり（または同じ層内の隣接する組成）、転移材料が２つの隣接する層同士に組成の勾配転移を与えるようになっている。転移材料は２つの層を持つことができるが転移材料は一般に少なくとも３つの層を持っており、他の実施態様では少なくとも４つの層を持っており、さらなる実施態様では５つの層から１００の層の範囲である。当業者であればこれらの特定の範囲内のさらに別の範囲を思いつきこれらが本開示の範囲内であることを認識するであろう。総厚みは、前出の段落で説明した連続する勾配層のものと類似している。階段的転移材料内の各層は、一般に、約１００ミクロン未満の厚みを有し、別の実施態様では約２５ミクロン未満、さらなる実施態様では約５００ｎｍ〜約２０ミクロンの範囲（単数または複数）内であり、さらに別の実施態様では約１ミクロンから約１０ミクロンの範囲（単数または複数）内である。段階的転移材料内の層はほぼ等しい厚さであってもなくてもよい。同様に、組成の段階的な変化は転移層の層同士で等価的なステップを踏んでも踏まなくてもよい。
基板表面上に離散的な光学装置または他の構造体を作成する場合、化学材料の組成は一般に光学構造内の異なる場所で異なっていなければならない。組成の変動を導入するために、蒸着プロセス自体を操作して特定の構造体を作成するようにできる。あるいは、蒸着の後にさまざまなパターニング方法を使うことで選択した光学装置を形成できる。１つ以上のコーティング層を蒸着した後のパターニングを以下にさらに説明する。
本願で説明する蒸着方法を使って、基板に蒸着された生成物粒子の組成を蒸着プロセス中に変えることで基板上の選択された位置に特定の組成を持つ粒子を蒸着し、光学材料のその結果得られる組成をｘ−ｙ平面に沿って変動させる。例えば、生成物粒子の流れを通じて基板をスイープする最中に生成物粒子組成が変化する場合、基板表面上には異なる縞または格子位置に異なる粒子組成で縞または格子を形成できる。光反応性蒸着を使って、反応して生成物粒子を形成する反応剤を調整することによりまたは反応条件を変動させることにより生成物組成を変動させることができる。反応条件はまた得られる生成物粒子の特性にも影響する可能性がある。例えば、反応チャンバ圧力、流体速度、放射強度、放射エネルギー／波長、反応の流れの不活性希釈ガスの濃度、反応剤の流体温度は生成物粒子の組成および他の特性に影響する可能性がある。
いくつかの実施態様では、反応剤の流体は蒸気および／またはエアゾール反応剤を含む可能性があり、これを変動させることで生成物の組成を変えることができる。特に、ドーパントの濃度は流体中のドーパント元素の組成および／または量を変動させることで変えることができる。
生成物の流れを通じて基板をスイープしつつ反応剤流体の組成または反応条件を変えることによって生成物粒子組成の変化を引き起こすことができるが、特により著しい組成の変化を加える場合、組成の違う異なる蒸着ステップ間では蒸着を停止するのが望ましい場合がある。例えば、第１の組成物で基板の一部をコーティングし残りの部分を他の組成物でコーティングするには、生成物の流れを通じて基板をスイープすることで特定の場所に第１の組成物を蒸着しここで蒸着を終了する。そして基板をまったくコーティングを行わない状態で残りの距離、平行移動させる。その後、反応剤の流れまたは反応条件を変えることによって生成物の組成を変え、そして生成物の流体が安定化するまで短期間経過した後、反対方向に基板をスイープして第１の組成物を補足するパターンに第２の組成物をコーティングする。第１の組成物と第２の組成物とのコーティング間に小さな隙間を残すことで組成物の交じり合った境界区域の存在を少なくできる。この小さな隙間は固化ステップ中に充填して２つの材料間の境界が比較的はっきりとした平滑な表面を形成することができる。
蒸着プロセスは基板上に２つより多くの組成物および／またはより精巧なパターンを蒸着するために汎用化することができる。より精巧なプロセスでは、生成物の流体が安定化する最中および／または基板の配置中はシャッタを使って蒸着を遮断できる。ステージ／コンベヤを正確に制御することで基板を正確に配置させスイープして特定の組成を蒸着させることができる。シャッタを迅速に開閉して蒸着を制御できる。パターン内の異なる位置の組成物同士をわずかに離すのに隙間を使っても使わなくてもよい。
他の実施態様では、離散的なマスクを使って粒子の蒸着を制御する。離散的なマスクは粒子をパターニングする効率的で正確な方法を提供する。化学的蒸気蒸着および物理的蒸気蒸着により、原子または分子レベルから材料の層を構築でき、これにより下にある基板にマスクを原子または分子レベルで均質に拘束させて、マスクの下の蒸着された材料がブロックされている領域へと移動するのを防止できる。従って、コーティングされたマスクは独立した、マスクに対応する自己支持構造体の無い表面上へのコーティングであり、コーティングされたマスクはコーティングされたマスクに沿って原子レベル接触で化学的または物理的に表面に結合している。反対に、本願で説明する粒子蒸着では、粒子は一般に少なくとも、直径が約１ナノメートル（ｎｍ）以上の範囲の大きさのマクロ分子とすることができ、他の平たい表面に対して配置された平たい表面のマスクにより十分な接触が得られることで粒子がマスクを超えて大幅に移動するのを防止できる。コーティングされたマスクは光反応性蒸着で効果的に使うことができるが、物理的マスクも表面をパターニングするにあたりコーティングマスクの代わりに使える効率的なマスクである。物理的マスクは表面に結合していない完全無傷の自己支持構造を持っていてコーティングされた表面からマスクが完全無傷の状態で取り外せるようになっている。従って、本願の離散的マスクは蒸気蒸着方法の場合のフォトリソグラフィーから適用された従来のマスキング方法とは異なるものである。
いくつかの実施態様では、粒子コーティングを形成するにあたり離散的マスクで遮蔽された基板に生成物粒子の流れを送り出すことをそれ相応に必要とする。離散マスクは表面、一般には平面状の表面を持っており、選択された位置に開口部を持っている。離散的マスクは開口部を除く表面をブロックして粒子が開口部を通じて表面に蒸着できるようになっている。従って、マスクは開口部を選択された位置に配置することにより表面上に組成物をパターニングする。いくつかの実施態様では、適切な離散マスクは生成物の粒子の流体よりも狭いスリットを持つマスクからなっていて蒸着プロセスを非常に正確に制御できるようになっている。スリットを移動させることで１つ以上の組成物で所望の、正確に制御されたパターンを形成できる。離散マスクは使用後、取り外して再利用できる。
いくつかの実施態様では、複数のマスクを使って単一の層に沿って粒子を蒸着できる。例えば、第１のマスクを介してパターンを蒸着した後、第２の補足的なマスクを使うことで、第１のマスクを使った蒸着で覆われずに残った表面の少なくとも一部に材料を蒸着できる。さらに別の補足的なマスクを使うことで、単一の層またはその一部に層全体にわたって科学的組成が変動するコーティングを完成させつつ複合的なパターンを形成できる。
従って、光反応性蒸着を使って、層内および異なる層で光学材料の化学的組成を変動させることで、材料内の選択された位置で組成が選択されている三次元的な光学構造を形成するための広範囲の効果的な方法が得られる。言い換えると、材料の光学特性および／または組成を構造体内でｘ、ｙ、ｚのすべての３軸に沿って変動させて所望の光学構造体を形成することができる。蒸着プロセス中の光学材料の組成物のパターニングについては、本願でその全体を参考文献として援用するＢｉらによる「光学的構造体の三次元的エンジニアリング」という名称の係属中で一般に譲渡されている米国特許出願第１０／０２７，９０６号にさらに記載されている。
コーティングの組成
レーザー熱分解を光反応性蒸着の性能に適応させるということを利用して、広範囲の組成に及ぶ、レーザー熱分解によって生成できる選択された組成の粒子に匹敵する組成のコーティングを生成できる。具体的には、組成は必要に応じてドーパントまたは添加剤組成物を含んでいる結晶性またはアモルファス材料を形成する１つ以上の金属／メタロイド元素を含むことができる。さらに、（単数または複数の）ドーパント／（単数または複数の）添加剤を使うことで粒子の光学的、化学的および／または物理的特性を変えることができる。一般に、粉体は粒子サイズがサブミクロン／ナノメートル範囲の微細または超微細粒子を含んでいる。粉体コーティングを形成する間、粒子は蒸着中部分的に溶融または焼結してもしなくてもよい。高密度化した層を形成するために、粉体コーティングは固化できる。粉体コーティングに、その形成中またはその形成後に（単数または複数の）ドーパント／（単数または複数の）添加剤を組み込むことができこれにより、高密度化した材料全体にわたって（単数または複数の）ドーパント／（単数または複数の）添加剤が分布される。
一般に、サブミクロン／ナノ尺度の粒子は、粒子が収集されたり粉体がコーティングされる場合、一般に多数の異なる元素を含んでおりさまざまな相対的な比率で存在する組成物を含んでいるとして特徴づけることができ、この場合数および相対的な比率は粒子の塗布の関数として選択できる。異なる元素の典型的な数としては、例えば約２つの元素から約１５の元素の範囲の元素数が挙げられ、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、および１５の数が考えられる。いくつかの実施態様では、元素のいくつかまたはすべてが金属／メタロイド元素であり得る。相対的比率の一般的な数としては、例えば、約１から約１，０００，０００の範囲の値が挙げられ、約１、１０、１００、１０００、１００００、１００００００、１０００００００、およびそれらの適切な合計が考えられる。さらに、元素材料が考えられここでは元素は金属／メタロイド元素のように、その基本的な、単イオン化された形態、すなわちＭ0である。
あるいはまたは加えて、このようなサブミクロン／ナノ尺度粒子は以下の数式を持つものとして特徴付けられる：
ＡaＢbＣcＤdＥeＦfＧgＨhＩiＪjＫkＬlＭmＮnＯo
ここでＡ、Ｂ、Ｃ，Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎ、およびＯはそれぞれ独立して存在するかまたは存在せず、Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎ、およびＯのうち少なくとも１つは存在し、グループ１Ａ元素、グループ２Ａ元素、グループ３Ｂ元素（ランタニド族の元素およびアクチニド族の元素を含む）、グループ４Ｂ元素、グループ５Ｂ元素、グループ６Ｂ元素、グループ７Ｂ元素、グループ８Ｂ元素、グループ１Ｂ元素、グループ２Ｂ元素、グループ３Ａ元素、グループ４Ａ元素、グループ５Ａ元素、グループ６Ａ元素、およびグループ７Ａ元素からなる元素の周期表の元素からなるグループから独立して選択される。ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍ、ｎおよびｏは独立して選択され、約１から約１，０００，０００の範囲の値から化学量論的に実現可能であり、約１、１０、１００、１０００、１００００、１０００００、１００００００の数およびその適切な合計が考えられる。材料は結晶性、アモルファス、またはそれらの組み合わせであり得る。言い換えれば、元素は希ガス以外で周期表からのどのような元素であってもよい。本願で説明するようにすべての無機組成物が想定され、同様に、なんらかの特定の組成物、組成物のグループ、属、亜属を単独でまた一緒にしたものなどを除くすべての無機化合物またはその組み合わせのような、無機化合物のすべてのサブセットがはっきりとした本発明のグループ分けとして想定される。
いくつかの組成物を特定の化学量論／組成物に関して説明しているが、化学量論は一般にはおおよその量に過ぎない。特に、材料には汚染、欠陥などがある可能性がある。同様にいくつかのアモルファス材料は本質的に配合物を含んでいる可能性があり、異なる成分の相対的な量が材料が混和可能な範囲全体にわたって連続的に調整できるようになっている。他の実施態様では、平均的な組成では材料は混和しないため相分離アモルファス材料を異なるドメインの異なる組成物で形成できる。さらに、対応する化合物の元素が複数の酸化状態を持つアモルファスおよび結晶性材料の場合、材料は複数の酸化状態を持つことができる。従って、本願で化学量論を説明する場合実際の材料は、ＳｉＯ2がいくらかのＳｉＯなどを含むというように同じ元素の他の化学量論も備える可能性がある。
いくつかの実施態様では、光学材料の場合のように、粉体はホスト材料として、例えば、シリコン粒子、金属粒子、および金属／メタロイド酸化物、金属／メタロイド炭化物、金属／メタロイド窒化物、金属／メタロイドリン化物、金属／メタロイド硫化物、金属／メタロイドテルル化物、金属／メタロイドセレナイド、金属／メタロイドｑｒｓｉｎｉｄｅのような金属／メタロイド組成物、それらの混合物および組み合わせを含む可能性がある。特にアモルファス材料では、非常にさまざまな元素組成物が特定の材料中に存在する可能性がある。レーザ熱分解は、或る実施態様では広範囲の組製で、粒子の生成に関して変化し易い一方で、ドーパント（単数または複数）／添加剤（単数または複数）を導入するためには特定のホスト材料が望ましいが、これは、ガラス層に処理されるその特定の機能、および／または、光学装置内で処理可能な光学材料へのその望ましさのためである。光学材料では、特定の関心のいくつかの材料は、例えば酸化ケイ素（シリカ）、リン酸塩ガラス、酸化ゲルマニウム、酸化アルミニウム、リン化インジウム、ニオブ酸塩リチウム、タンタル酸塩リチウム、テルル化ガラス、酸化アルミニウム、酸化チタン、ヒ化ガリウム、これらの組み合わせ、およびこれらをドープしたものが含まれる。いくつかの金属／メタロイド酸化物は、光学用途にとって、および／または、均一なガラス層に固化するその機能にとって特に望ましい。ドーピング用のホスト酸化物の形成に適切なガラスには、例えばＴｉＯ2、ＳｉＯ2、ＧｅＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｐ2Ｏ5、Ｂ2Ｏ3、ＴｅＯ2、ＣａＯＡｌ2Ｏ3、Ｖ2Ｏ5、ＢｉＯ2、Ｓｂ2Ｏ5、およびその組み合わせと混合が含まれる。これ以外の金属／メタロイド酸化物には、例えばＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12（ＹＡＧ）、さらに特にＮｄ、ドーピングされたＹＡＧといった希土類のような結晶態様の望ましい光学特質が含まれる。ここで記述している粒子形成およびコーティング形成のための方法は、ドーパント（単数または複数）／添加剤（単数または複数）の有無に係らず、金属／メタロイド粒子の形成に特に適切である。同様に、レーザ熱分解および光反応性付着は、以下でさらに説明するように、粒子収集体、および非酸化材料のための粉体コーティングを生成するための方法に適している。
加えて、粒子および粉体コーティングは１つ以上のドーパント／添加剤をアモルファス材料および／または結晶性材料内に含むことができる。（単数または複数の）ドーパント／（単数または複数の）添加剤はドーパント／添加剤組成物の複合配合物であり得るが、一般に非化学量論的な量で含まれている。ドーパント／添加剤は一般に金属またはメタロイド元素であるが、他の関心の的である（単数または複数の）ドーパント／（単数または複数の）添加剤はフッ素、塩素、窒素、および／または炭素を含んでおり、これらは金属／メタロイド成分に対して酸化物または他のアニオン中で酸素と置換している。これらのアニオン性ドーパント（単数または複数）／添加剤（単数または複数）は、いくつかのカチオン性ドーパントと同様、酸化物の酸素結合ネットワークを分断する傾向にあり、またこれらは酸化ガラスの流れ温度を低下させる傾向にあり、さらに、これらのドーパント（単数または複数）／添加剤（単数または複数）は屈折率および誘電率を低下させる傾向にある。（単数または複数の）ドーパント／（単数または複数の）添加剤は一般に、材料内で例えば他の構成要素にとって代わることにより全体の電気的中性を維持するようにできる。（単数または複数の）ドーパント／（単数または複数の）添加剤は得られる材料に所望の特性を与えることができる。（単数または複数の）ドーパント／（単数または複数の）添加剤の量は所望の特性を生み出しつつ材料に対して適切な化学的安定性を維持するように選択できる。結晶性材料では、ドーパント／添加剤の（単数または複数の）元素はラティス部位でホスト元素と取って代わることができ、ドーパント／添加剤の（単数または複数の）元素は以前に占有されていなかったラティス部位に存在できおよび／またはドーパント／添加剤の（単数または複数の）元素は組織間部位に位置できる。（単数または複数の）ドーパント／（単数または複数の）添加剤の組み込みに結晶構造が影響する結晶材料内の（単数または複数の）ドーパント／（単数または複数の）添加剤と異なり、アモルファス材料内の（単数または複数の）ドーパント／（単数または複数の）添加剤はホスト材料内に溶解している組成物としてより挙動して固体混合物を形成できる。従って、材料の全体の組成は得られる組み合わさった材料の加工パラメータおよび安定性といった化学特性に影響する。ホストアモルファス材料内の（単数または複数の）ドーパント／（単数または複数の）添加剤の溶解性は、固化したガラス内に均質に一体化できる特定のドーパント／添加剤の量に影響を与える可能性がある。
希土類ドーパントのようなドーパントは一般に、組成物中に約１５モルパーセント未満の範囲で金属／メタロイド、他の実施態様では約１０モルパーセント未満の範囲、いくつかの実施態様では約０．００１モルパーセントから約５モルパーセントの範囲、他の実施態様では組成物中に約０．０２５から約１モルパーセントの範囲で金属／メタロイドを含んでいる。当業者であれば、本開示はこれらの特定の範囲内の範囲も同様に網羅することを認識するであろう。添加剤の組成物はドーパントの組成物に似ているが、ただし一般により多い量で含まれているもののやはり組成部の少数派成分である、すなわち、組成物の約５０モルパーセント未満の範囲でこの範囲内のどのようなおよびすべての切り捨ても考慮した状態で含まれているという点で異なる。アモルファス材料については、（単数または複数の）添加剤は改質剤またはガラス形成剤と改質剤との中間組成物であり得る。改質剤は酸化物ガラス内の酸素ネットワークを破壊して、流体温度、熱膨張係数、化学耐性および屈折率といったガラス特性を改質する。従って、（単数または複数の）添加剤は多くの同じ目的で（単数または複数の）ドーパントとして有用となり得る。ドーピングされたまたはドーピングするとは便宜上、ドーパントおよび／または添加剤を含む材料、およびドーパントおよび／または添加剤を組み込むプロセスをそれぞれ意味する。適切な（単数または複数の）ドーパント／（単数または複数の）添加剤は、例えば、他の適切な（単数または複数の）元素のなかの（単数または複数の）希土類金属を含んでいる。希土類ドーパントは、例えば屈折率、感光性、蛍光性、常磁性のような望ましい物質の改質を提供することができる。
いくつかの実施態様では、粉体およびコーティング、例えばガラス層は、例えばホスト材料内に含まれる１つ以上の金属／メタロイド元素、また任意で、アモルファスホスト材料内に含まれる１つ以上の選択されたドーパント／添加剤を備える複雑な組成物によって形成することができる。同様に、結晶材料は、結晶ホスト材料内に含まれるドーパント（単数または複数）／添加剤（単数または複数）で形成することができる。ドーピングされている材料は、光反応性蒸着を使って粒子を直接蒸着して粉体コーティングを形成し、その後粉体コーティングを固化してガラス、多結晶、または結晶材料の均一な層とすることによって形成できる。あるいは、以下にさらに説明するように、どのような（単数または複数の）ドーパント／（単数または複数の）添加剤でも粉体コーティングにその形成後導入することで、固化した均一の材料に組み込むことができる。
粉体コーティングとして蒸着されるサブミクロン／ナノ尺度の粒子は光反応性蒸着を使って複合組成物で作成できる。材料は反応剤組成物を適切に導入して所望のホスト材料を形成することにより所望の組成物で形成できる。（単数または複数の）ドーパント／（単数または複数の）添加剤と同様にほぼ化学量論的な量で導入されている元素のように、組成物を改質する元素を、ホスト材料の形成中または粉体コーティング形成後、適切なホスト材料に導入できる。具体的には、選択した元素を反応剤の流れの組成を変動させることにより所望の量で導入できる。リアクタの条件もまた所望の材料を生成するように選択できる。他の実施態様では、すでに形成済みの粒子収集体または粉体コーティングに究極の組成物を得るのに望ましいレベルに応じて改質元素を添加する。加熱処理を行うと、所望の組成物が形成される。改質元素を導入するための加熱処理を以下にさらに説明する。
ガラスに関しては、さまざまな材料が対象となるなかでも、シリカ（ＳｉＯ2）−ベースのガラスが現在、商業化されており対象とされる。シリカと組み合わせてアモルファスホスト材料を形成するのに適した他のガラス形成材料としては、例えば、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、Ｂ2Ｏ3、Ｐ2Ｏ3、ＧｅＯ2などおよびこれらの組み合わせが挙げられる。従って、複数のガラス形成組成物を組み合わせることで、屈折率およびガラス転移温度などの所望の特性を持つ配合ガラスホスト組成物を形成できる。配合ガラスホスト材料はさらなる材料でドーピングすることで材料の特性をさらに調整できる。
広範囲のシリカガラス組成物が重要な光学用途または潜在的な光学用途を持っている。一般に、これらのシリカガラスは本願の説明に基づく光反応性蒸着によって形成できる。シリカガラスは一般に他のガラス形成組成物と組み合わせると、屈折率などの光学特性を変えたり、およびまたは流体温度を低下させるなどのように他の加工特性を変えられる。いくつかの非シリカガラスもまた光学用途に非常に適しており、ゲルマニウム、リン酸塩、アルミノカルシネート（ａｌｕｍｉｎｏｃａｌｃｉｎａｔｅ）、およびテルル化物がある。いくつかの結晶性材料もまた望ましい光学特性を持っている。
（単数または複数の）ドーパント／（単数または複数の）添加剤を導入でき、これにより粒子および／または粒子の固化または固化していない状態で得られる層の光学特性および物的特性などの特性を変動させることができる。例えば、（単数または複数の）ドーパント／（単数または複数の）添加剤を導入できこれにより材料の屈折率を変えると同時にエミッション／ゲイン帯域幅、および他のドーピング剤の吸収効率に影響を与えることができる。光学用途に適用するには、屈折率を変動させることができこれにより選択された周波数範囲で作動する特定の光学装置を形成することができる。特に、いくつかの（単数または複数の）ドーパント／（単数または複数の）添加剤は流体温度、すなわちガラス転移温度を変化させて、ガラスがより低い温度で加工できるようにする。（単数または複数の）ドーパント／（単数または複数の）添加剤もまた、得られるガラスの熱膨張係数および／または化学薬品耐性といった物理的特性を変えることができる。ドーパント／添加剤もまた材料内で相互作用を起こすことができる。例えば、Ｐ2Ｏ5およびＡｌ2Ｏ3などのいくつかの（単数または複数の）ドーパント／（単数または複数の）添加剤を導入すると他の（単数または複数の）ドーパント／（単数または複数の）添加剤の可溶性が高まる。ドーピングされた材料は光学装置の生産に有用である。本願で説明する技術を使うことで、ドーピングされた材料を平面状光学装置に作り上げることができる。
１つの実施態様では、関心の的である材料としては複数のドーパント／添加剤とともに光学ガラスを形成するアモルファス組成物が挙げられる。いくつかの実施態様では、この１つまたは複数の以上のドーパント／添加剤としては希土類金属が挙げられる。希土類金属は材料の光学特性を改質させるため望ましい場合がある。粒子が実質的に均一な層に固化される場合、得られる材料の屈折率は（単数または複数の）希土類ドーパント／（単数または複数の）添加剤ならびに他の（単数または複数の）ドーパント／（単数または複数の）添加剤によって影響される可能性がある。加えて、（単数または複数の）希土類ドーパント／（単数または複数の）添加剤は、光学増幅器および他の光学装置の生産への材料の適用を変える可能性のある光学エミッション特性に影響する場合がある。希土類金属としては、周期表のグループＩＩＩｂの転移金属が挙げられる。具体的には、希土類元素としてはＳｃ、Ｙ，およびランタニド系が挙げられる。他の適切な（単数または複数の）ドーパント／（単数または複数の）添加剤としてはアクチニド系の元素が挙げられる。光学ガラス用には、ドーパント／添加剤として関心の的となる希土類金属としては、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｎｄ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｐｒ、Ｔｍ、Ｓｃ、Ｙなどおよびこれらの組み合わせが挙げられる。適切な非希土類金属ドーパント／添加剤としては、例えば、Ａｌ、Ｇａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｚｒ、Ｐｂ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｂａ、Ｗ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐ、Ｂ、Ｔｅ、Ｃａ、Ｒｂ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｎｂなどおよびこれらの組み合わせが挙げられる。また、ドーパント／添加剤として望ましい好学特性を持つある特定の第１列転移元素としては、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｒｅ、Ｃｏ、ＮｅおよびＣｕが挙げられる。光学エミッションの波長は転移金属の酸化状態次第で決まる。この酸化状態は一般に、固化プロセス中に酸素部分圧を調整することによって制御できる。
さまざまな材料がレーザー熱分解を使ってサブミクロン／ナノ尺度の粒子として形成されてきた。これらの材料のいくつかを以下の説明で記載する。光反応性蒸着を使って、これらの材料を粉体コーティングの形態のコーティングとして直接形成できる。本願の説明および実施例に基づいて、広範囲のさらに他の材料を光反応性蒸着によって作成できる。具体的に、いくつかの改善された材料の形成に適した方法を以下に概説する。
例えば、シリコン酸化物サブミクロン／ナノ尺度粒子の作成については、本願でその全体を参考文献として援用するＫｕｍａｒらによる「シリコン酸化物粒子」という名称の係属中で一般に譲渡されている米国特許出願シリアル番号第０９／０８５，５１４号、現在、米国特許第６，７２６，９９０号に記載されている。この特許出願はアモルファスＳｉＯ2の作成を記載している。チタン酸化物サブミクロン／ナノ尺度粒子および結晶性シリコン二酸化物サブミクロン／ナノ尺度粒子の作成については、本願でその全体を参考文献として援用するＢｉらによる「金属（シリコン）酸化物／炭素複合物」という名称の米国特許第６，３８７，５３１号に記載されている。特に、この出願は鋭錐石および金紅石ＴｉＯ2の作成を記載している。
さらに、サブミクロン／ナノ尺度マンガン酸化物粒子が形成されてきた。これらの粒子の作成については、本願でその全体を参考文献として援用するＫｕｍａｒらによる「金属酸化物粒子」という名称の米国特許第６，５０６，４９３号に記載されている。この出願はＭｎＯ、Ｍｎ2Ｏ3、Ｍｎ3Ｏ4、およびＭｎ5Ｏ8の作成について記載している。
また、バナジウム酸化物サブミクロン／ナノ尺度粒子の作成は、本願でその全体を参考文献として援用するＢｉらによる「バナジウム酸化物ナノ粒子」という名称の米国特許第６，１０６，７９８号に記載されている。同様に、両方とも「金属バナジウム酸化物粒子」という名称のＨｏｒｎｅらによる米国特許第６，２２５，００７号およびＲｅｉｔｚらによる米国特許第６，３９４，４９４号、および「高速バッテリ」という名称のＧｈａｎｔｏｕｓらによる第０９／６４９，７５２号、現在、米国特許第６，５０３，６４６号に記載されているように、銀バナジウム酸化物サブミクロン／ナノ尺度粒子が作成されてきた。これらの特許は３つともすべて本願でその全体を参考文献として援用する。
さらに、Ｋｕｍａｒらによる「複合金属酸化物粒子」という名称の係属中で一般に譲渡されている米国特許出願シリアル番号第０９／１８８，７６８号、現在、米国特許第６，６０７，７０６号、Ｋｕｍａｒらによる「リチウム金属酸化物粒子作成のための反応方法」という名称の米国特許出願第０９／３３４，２０３号で現在の米国特許第６，４８２，３７４号、およびＨｏｒｎｅらによる「リチウムマンガン酸化物およびバッテリ」という名称の米国特許第６，１３６，２８７号に記載されているように、リチウムマンガン酸化物サブミクロン／ナノ尺度粒子がレーザー熱分解によりその後熱加工を行うかまたは行わずして作成されてきた。これら特許はすべて本願でその全体を参考文献として援用する。リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムコバルトニッケル酸化物、リチウムチタン酸化物および他のリチウム金属酸化物の作成については、本願でその全体を参考文献として援用する、Ｋｕｍａｒらによる「リチウム金属酸化物」という名称の係属中で一般に譲渡されている米国特許出願シリアル番号第０９／５９５，９５８号に記載されている。
アルミニウム酸化物サブミクロン／ナノ尺度粒子の作成は、本願でその全体を参考文献として援用する、Ｋｕｍａｒらによる「アルミニウム酸化物粒子」という名称の係属中で一般に譲渡されている米国特許出願シリアル番号第０９／１３６，４８３号に記載されている。特に、この出願はγ−Ａｌ2Ｏ3の作成について開示している。ドーピングされた結晶性およびアモルファスアルミナを使ってレーザー熱分解／光反応性蒸着によりデルタ−Ａｌ2Ｏ3およびシータＡｌ2Ｏ3を形成することは、本願でその全体を参考文献として援用する、Ｃｈｉｒｕｖｏｌｕらによる「アルミニウム酸化物粉体」という名称の係属中で一般に譲渡されている米国特許出願シリアル番号第０９／９６９，０２５号に記載されている。
アモルファスアルミニウム酸化材料は他のガラス形成体、例えばＳｉＯ2および／またはＰ2Ｏ5と組み合わせることができる。例えば、光学ガラス形成のための酸化アルミニウムに適した酸化金属ドーパント（単数または複数）／添加剤（単数または複数）には、酸化セシウム（ＣＳ2Ｏ）、酸化ルビジウム（Ｒｂ2Ｏ）、酸化タリウム（Ｔｌ2Ｏ）、酸化リチウム（Ｌｉ2Ｏ）、酸化ソジウム（Ｎａ2Ｏ）、酸化ポタジウム（Ｋ2Ｏ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ），酸化ストロニウム（ＳｒＯ），酸化バリウム（ＢａＯ），その他、およびこの内の任意の２つまたはそれ以上の組み合わせが含まれる。ガラスドーパント（単数または複数）／添加剤（単数または複数）は、例えば、屈折率、固化温度および／またはガラスの多孔性に影響を与えることがある。赤外線エミッタのための適切酸化物ドーパント／添加剤は、例えば酸化コバルト（Ｃｏ3Ｏ4）、Ｅｒ2Ｏ3、ＣｒＯ2、Ｔｍ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3、Ｐｒ2Ｏ3、ＤｙｓＯ3、Ｈｏ2Ｏ3など、およびこの内の任意の２つ以上の組み合わせが含まれる。
さらに、本願でその全体を参考文献として援用する、Ｋｕｍａｒらによる「スズ酸化物粒子」という名称の米国特許第６，２００，６７４号に記載されているように、スズ酸化物サブミクロン／ナノ尺度粒子がレーザー熱分解によって作成されてきた。亜鉛酸化物サブミクロン／ナノ尺度粒子の作成は、本願でその全体を参考文献として援用する、Ｒｅｉｔｚによる「亜鉛酸化物粒子」という名称の係属中で一般に譲渡されている米国特許出願シリアル番号第０９／２６６，２０２号に記載されている。特に、ＺｎＯサブミクロン／ナノ尺度粒子の作成が記載されている。
サブミクロン／ナノ尺度粒子および希土類金属酸化物粒子の対応するコーティング、希土類ドープ金属／メタロイド酸化物粒子、希土類金属／メタロイド硫化物、および希土類ドープ金属／メタロイド硫化物は、本願でその全体を参考文献として援用する、Ｋｕｍａｒらによる「高輝度蛍りん光体粒子」という名称で係属中で一般に譲渡されている米国特許出願シリアル番号第９８／８４３，１９５、現在、米国特許第６，６９２，６６０号に記載されている。蛍りん光体の形成に適したホスト材料としては、ＺｎＯ、ＺｎＳ、Ｚｎ2ＳｉＯ4、ＳｒＳ、ＹＢＯ3、Ｙ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12、およびＢａＭｇＡｌ14Ｏ23、およびそれらのうちいずれか２つ以上の組み合わせが挙げられる。ドーパント（単数または複数）／添加剤（単数または複数）としてのリン光体粒子を活性化するための例証的な非希土類類金属には、例えば、マンガン、銀、鉛など、およびこれらの組み合わせが含まれる。リン酸化物を形成するための例証的な希土類類金属には、例えばユーロピウム、セリウム、テルビウム、エルビウムなど、およびこれらの組み合わせが含まれる。一般に、リン体内の活性剤としては重金属イオンまたは希土類イオンが使用される。蛍りん光体に用いる場合、粒子は一般に結晶性である。
鉄、鉄酸化物、および鉄カーバイドの作成については、本願でその全体を参考文献として援用する、Ｂｉらによる「ＣＯ2レーザー熱分解により作成されるナノ結晶性α−Ｆｅ、Ｆｅ3Ｃ、およびＦｅ7Ｃ3」という名称の出版物（Ｊ． Ｍａｔｅｒ． Ｒｅｓ． 第８巻、７号、１６６６−１６７４頁（１９９３年７月））に記載されている。銀金属のサブミクロン／ナノ尺度粒子の作成は、本願でその全体を参考文献として援用する、Ｒｅｉｔｚらによる「金属バナジウム酸化物粒子」という名称の米国特許第６，３９４，４９４号に記載されている。レーザー熱分解により作成されるサブミクロン／ナノ尺度の炭素粒子については、本願でその全体を参考文献として援用する、Ｂｉらによる「ＣＯ2レーザー熱分解によって作成されるナノ尺度のカーボンブラック」という名称の参考文献（Ｊ． Ｍａｔｅｒ． Ｒｅｓ． 第１０巻、１１号、２８７５−２８８４頁（１９９５年１１月））に記載されている。
低速レーザー熱分解による鉄硫化物（Ｆｅ1-xＳ）サブミクロン／ナノ尺度粒子の作成については、本願でその全体を参考文献として援用する、ＢｉらによるＭａｔｅｒｉａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓの第２８６巻、１６１−１６６頁（１９９３年）に記載されている。レーザー熱分解により鉄硫化物を作成する際の前駆体は鉄ペンタカルボニル（Ｆｅ（ＣＯ）5）および水素硫化物（Ｈ2Ｓ）であった。蒸気送達に適した他のガス状硫黄前駆体としては、例えば、塩化ピロスルフリル（Ｓ2Ｏ5Ｃｌ2）、塩化硫黄（Ｓ2Ｃｌ2）、塩化スルフリル（ＳＯ2Ｃｌ2）、塩化チオニル（ＳＯＣｌ2）など、およびこれらのうちいずれか２つ以上の組み合わせが挙げられる。エアゾール送達に適した硫黄前駆体としては、例えば、硫酸アンモニウム（（ＮＨ4）2Ｓ）、硫酸（Ｈ2ＳＯ4）など、およびこれらのいずれかの組み合わせが挙げられ、これらは水に可溶である。他の金属／メタロイド硫化物材料も同様に作成することができる。
金属ホウ酸塩も１つ以上の金属前駆体およびホウ素前駆体を使って同様に形成することができる。具体的な例として、ＴｉＢ2はバッテリ用途への潜在的有用性を持っている。適切なチタン前駆体としては、例えば、四塩化チタン（ＴｉＣｌ4）、イソプロポキシドチタン（Ｔｉ［ＯＣＨ（ＣＨ3）2］4）など、およびそれらのうちいずれか２つ以上の組み合わせが挙げられる。適切なホウ素前駆体としては、例えば、三塩化ホウ素（ＢＣｌ3）、ジボラン（Ｂ2Ｈ6）、ＢＨ3など、およびそれらのうちいずれか２つ以上の組み合わせが挙げられる。
セリウム酸化物は上で説明したレーザー熱分解装置を使って作成できる。エアゾール送達に適した前駆体としては、例えば、硝酸セリウム（Ｃｅ（ＮＯ3）3）、塩化セリウム（ＣｅＣｌ3）、オキサロ酸セリウムなど、およびこれらのうちいずれか２つ以上の組み合わせが挙げられる。同様に、ジルコニウム酸化物は上で説明したレーザー熱分解装置を使って作成できる。エアゾール送達に適したジルコニウム前駆体としては、例えば、塩化ジルコニル（ＺｒＯＣｌ2）、硝酸ジルコニル（ＺｒＯ（ＮＯ3）2）など、およびそれらのうちいずれか２つ以上の組み合わせが挙げられる。
チップコンデンサ用の誘電体材料のコーティングの蒸着については、本願でその全体を参考文献として援用する、Ｂｒｙａｎによる「チップコンデンサ形成のための反応性蒸着」という名称の係属中で一般に譲渡されている米国仮特許出願シリアル番号第６０／３１２，２３４号に記載されている。適切な誘電体材料としてはチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3）のほとんどが挙げられ必要に応じて他の金属酸化物と混合される。適切な（単数または複数の）ドーパント／（単数または複数の）添加剤でセラミックチップコンデンサに組み込むのに適した他の誘電体酸化物としては、例えば、ＳｒＴｉＯ3、ＣａＴｉＯ3、ＳｒＺｒＯ3、ＣａＺｒＯ3、Ｎｄ2Ｏ3−２ＴｉＯ3、Ｌａ2Ｏ3−２ＴｉＯ2など、およびそれらのいずれか２つ以上が挙げられる。
アルミニウムケイ酸塩およびアルミニウムチタン酸塩の３元サブミクロン／ナノ尺度粒子の生成は、本願でその全体を参考文献として援用するＲｅｉｔｚらによる米国特許第６，３９４，４９４号、名称“Ｍｅｔａｌ Ｖａｎａｄｉｕｍ Ｏｘｉｄｅ Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ”に記載の酸化銀バナジウムサブマイクロ／ナノ尺度粒子の生成と類似した方法の後に、レーザ熱分解を行うことによって実行できる。アルミニウムケイ酸塩の生成に適した前駆体は、蒸気送達については、塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ3）、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ4）など、およびこれらの組み合わせを有し、エアゾール送達については、テトラ（Ｎ−ｂｕｔｏｘｙ）シランとアルミニウムイソプロポキシド（Ａｌ（ＯＣＨ（ＣＨ3）2）3）の混合物、テトラエトキシシランと硝酸アルミニウム、またはテトラエトキシシランと塩化アルミニウム、あるいはテトラエトキシシランとアルミニウムイソプロポキシドなどの混合物、その他、およびこの内の任意の２つ以上の組み合わせを有する。同様に、チタン酸塩アルミニウムの生成に適した前駆体は、エアゾール送達については、硫酸に溶解させた硝酸アルミニウム（Ａｌ（ＮＯ3）3）と二酸化チタン（ＴｉＯ2）粉体の混合物、アルミニウムイソプロポキシドとチタンイソプロポキシド（Ｔｉ（ＯＣＨ（ＣＨ3）2）4）の混合物など、およびこの内の任意の２つ以上の組み合わせを有する。
複合アニオンで金属／メタロイド組成物のコーティングとともにサブミクロン／ナノ尺度粒子を形成することについては、本願でその全体を参考文献として援用する、Ｃｈａｌｏｎｅｒ−Ｇｉｌｌらによる「リン酸塩粉体組成物および複合アニオンで粒子を形成する方法」という名称の係属中で一般に譲渡されている米国特許出願シリアル番号第０９／８４５，９８５号に記載されている。適切な多原子アニオンとしては、例えば、リン酸塩（ＰＯ4 -3）、硫酸塩（ＳＯ4 -2）、ケイ酸塩（ＳｉＯ4 -4）など、およびそれらのうちいずれか２つ以上の組み合わせが挙げられる。リン酸塩アニオンの形成に適したリン前駆体、硫酸塩アニオンの形成に適した硫黄前駆体、およびケイ酸塩アニオンの形成に適したシリコン前駆体は上述のとおりである。適切なカチオンとしては、例えば、金属およびメタロイドカチオンが挙げられる。リン酸塩ガラスはさまざまな状況で使用できる。ガラス用のリン酸塩組成物としては、例えば、リン酸アルミニウム（ＡｌＰＯ4）、リン酸カルシウム（Ｃａ3（ＰＯ4）2）など、およびそれらのうちいずれか２つ以上の組み合わせが挙げられる。蒸気送達に適したガス状リン酸塩前駆体組成物としては、例えば、ホスフィン（ＰＨ3）、三塩化リン（ＰＣｌ3）、五塩化リン（ＰＣｌ5）、オキシ塩化リン（ＰＯＣｌ3）、Ｐ（ＯＣＨ3）3など、およびこれらのうちいずれか２つ以上の組み合わせが挙げられる。エアゾール送達に適したリン前駆体としては、例えば、（Ｃ2Ｈ5Ｏ）3Ｐ、（Ｃ2Ｈ5Ｏ）3ＰＯ、リン酸アンモニウム（（ＮＨ4）3ＰＯ4）、リン酸アンモニウム−二塩基（（ＮＨ4）2ＨＰＯ4）、リン酸アンモニウム−一塩基（（ＮＨ4）Ｈ2ＰＯ4）、リン酸（Ｈ3ＰＯ4）など、およびそれらのうちいずれか２つ以上の組み合わせが挙げられ、これらはすべて水に適度に可溶である。
シリコンカーバイドおよびシリコン窒化物のレーザー熱分解による合成は、本願でその全体を参考文献として援用する、Ｒｅｉｔｚらによる「粒子分散」という名称の係属中で一般に譲渡されている米国特許出願シリアル番号第０９／４３３，２０２号に記載されている。他の金属／メタロイドカーバイドおよびメタ／メタロイド窒化物も同様に作成できる。
ホウ素およびリンでドーピングされたアモルファスシリカ（ＳｉＯ2）粉体コーティングの形成については、本願でその全体を参考文献として援用する、Ｂｉらによる「反応性蒸着によるコーティング形成」という名称の係属中で一般に譲渡されている米国特許出願第０９／７１５，９３５号に記載されている。ドーピングされたシリカ粉体コーティングはガラス層に固化された。アモルファス粒子および粉体コーティング用の希土類金属および他のドーパントならびに粉体コーティング用の複合ガラス組成物、特にエルビウムでドーピングされたアルミニウムシリカおよびアルミニウム−ランタン−シリカ粉体コーティングおよびガラスは、本願でその全体を参考文献として援用する、２００２年３月１５日に出願されたＨｏｒｎｅらによる「光学材料および光学装置」という名称の係属中で一般に譲渡されている米国特許出願シリアル番号第１０／０９９，５９７号に記載されている。
材料を形成しているいくつかのホストガラス、および／または、光学用途にとって特定の関心のドーパント（単数または複数）／添加剤（単数または複数）では、適切な前駆体は、前駆材料の代表的なリストとして記述することができる。このような代表的なリストには以下が挙げられる。
蒸気送達に適したケイ素前駆体は、例えば四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ4）、トリクロロシラン（Ｃｌ3ＨＳｉ）、トリクロロメチルシラン ＣＨ3ＳｉＣｌ3、テトラエトキシシラン（Ｓｉ（ＯＣ2Ｈ5）4、エチルシランおよびテトラエチルシランとしても知られている）など、およびこの内の任意の２つ以上の組み合わせを有する。適切なホウ素前駆体は、例えば、三塩化ホウ素（ＢＣｌ3）、ジボラン（Ｂ2Ｈ6）、ＢＨ3など、およびこの内の任意の２つ以上の組み合わせを有する。蒸気送達に適したリン酸塩前駆体は、例えば、ホスフィン（ＰＨ3）、三塩化リン（ＰＣｌ3）、五塩化リン（ＰＣｌ5）、オキシ塩化リン（ＰＯＣｌ3）、Ｐ（ＯＣＨ3）3、その他、およびこの内の任意の２つまたはそれ以上の組み合わせを含む。適切なゲルマニウム前駆体は、例えば、ＧｅＣｌ4、その他、およびこの内の任意の２つまたはそれ以上の組み合わせを含む。適切なチタン前駆体は、例えば、四塩化チタン（ＴｉＣｌ4）、チタンイソプロポキシド（Ｔｉ［ＯＣＨ（ＣＨ3）2］4）、その他、およびこの内の任意の２つまたはそれ以上の組み合わせを備える。適切な液状アルミニウム前駆体は、例えばアルミニウム−ｓ−ブトキシド（Ａｌ（ＯＣ4Ｈ９）3）、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ3）3、トリメチル案のみａアルミニウムＡｌ（ＣＨ3）3ＮＨ3）など、およびこの内の任意の２つ以上の組み合わせを含む。多数の適切な固体状アルミニウム前駆体組成物、例えば塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ3）、アルミニウムエトキシド（Ａｌ（ＯＣ2Ｈ5）3）、アルミニウムイソプロポキシド（Ａｌ［ＯＣＨ（ＣＨ3）2］3）など、およびこの内の任意の２つ以上の組み合わせの使用が可能である。適切なテルル前駆体は、例えば、Ｔｅ（Ｃ2Ｈ5）2、Ｔｅ（ＣＨ3）2、Ｔｅ（Ｃ3Ｈ７）2、Ｔｅ（Ｃ4Ｈ９）2、Ｔｅ（Ｃ3Ｈ4）2、Ｔｅ（ＣＨ3Ｃ3Ｈ4）2、その他、およびこの内の任意の２つ以上の組み合わせを含む。
希土類金属前駆体に関連して、蒸気送達に適した前駆体は、例えばエルビウム・ヘパフルオロジメチルオクタンエジオン、Ｅｒ（Ｃ１１Ｈ１９Ｏ2）3、Ｙｂ（Ｃ１１Ｈ１９Ｏ2）3、Ｐｒ（Ｃ１１Ｈ１９Ｏ2）3、Ｎｂ（Ｃ１１Ｈ１９Ｏ2）3、Ｔｍ（Ｃ１１Ｈ１９Ｏ2）3、その他、およびこの内の任意の２つ以上の組み合わせを含む。これ以外の望ましい金属ドーパント（単数または複数）／添加剤（単数または複数）のいくつかの代表的な前駆体は、例えば、ジエチル亜鉛（Ｚｎ（Ｃ2Ｈ5）2）、ジメチル亜鉛（Ｚｎ（ＣＨ3）2）のような 液状亜鉛前駆体組成物、その他、およびこの内の任意の２つ以上の組み合わせを含む。十分な気体送達の蒸気圧を伴う適切な固体状の亜鉛前駆体は、例えば、塩化亜鉛（ＺｎＣｌ2）、その他、およびこの内の任意の２つ以上の組み合わせを含む。蒸気送達のための適切なリチウム前駆体は、例えば、リチウムアセテート（Ｌｉ2Ｏ2ＣＣＨ3）のような固体、ヘキサンに溶解したリチウムアミド（ＬｉＮＨ2）のような液体、その他、およびこの内の任意の２つ以上の組み合わせを含む。
エアゾール生成に適したケイ素前駆体は、例えば、エーテルに溶解可能な四塩化ケイ素Ｓｉ（Ｃｌ4）、四塩化炭素に溶解可能なトリクエオシラン（Ｃｌ3ＨＳｉ）、アルコールに溶解可能なコイロドカルシリカ、Ｓｉ（ＯＣＨ3）4、（ＣＨ3）3ＳｉＯＳＩ（ＣＨ3）3、その他、およびこの内の任意の２つ以上の組み合わせを含む。同様に、エアゾール送達に適した溶解可能なホウ素前駆体は、例えば、水よびさまざまな有機溶液に溶解可能なホウ酸アンモニア（（ＮＨ4）2Ｂ4Ｏ７）、Ｂ（ＯＣ2Ｈ5）3、Ｂ（Ｃ2Ｈ5）3、その他、およびこの内の任意の２つ以上の組み合わせを含む。エアゾール送達に適したリン前駆体は、例えばリン酸アンモニア（（ＮＨ4）3ＰＯ4）、リン酸‐二塩基アンモニア（（ＮＨ4）2ＨＰＯ4）、リン酸−一塩基アンモニア（（ＮＨ4）Ｈ2ＰＯ4）、リン酸（Ｈ3ＰＯ4）を含み、これらは全て水に溶解可能であり、該リン前駆体はさらに、アルコールとエーテルに溶解可能なＯＰ（ＯＣ2Ｈ5）3、Ｐ（ＯＣ2Ｈ5）3、ＯＰ（ＯＣＨ3）3、その他、およびこの内の任意の２つ以上の組み合わせを含む。エアゾール送達に適した適切なアルミニウム前駆体は、例えば、多数の有機溶液に溶解可能な塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ3・6Ｈ2Ｏ）、水に溶解可能なアルミニウム硝酸塩（Ａｌ（ＮＯ3）3・９Ｈ2Ｏ）およびアルミニウムハイドロキシクロライド（Ａｌ2（ＯＨ）5Ｃｌ・2Ｈ2Ｏ）、さらにＡｌ（Ｃ2Ｈ5）3、Ａｌ（ＯＣ4Ｈ９）3、Ａｌ（Ｃ5Ｈ７Ｏ2）3、Ａｌ（Ｃ１８Ｈ35Ｏ2）3、その他、およびこの内の任意の２つ以上の組み合わせを含む。エアゾール送達に適したチタン前駆体は、例えばＴｉ（Ｎ（ＣＨ3）2）4）、ＴｉＯ2ＯＨ、その他、およびこの内の任意の２つ以上の組み合わせを含む。エアゾール送達に適したゲルマニウム前駆体は、例えばＧｅ（ＯＣ2Ｈ5）3、Ｇ（ＯＣＨ3）4、その他、およびこの内の任意の２つ以上の組み合わせを含む。エアゾール送達に適したテルル前駆体は、例えば、アルコールに溶解可能なＴｅＣｌ4、その他、およびこの内の任意の２つ以上の組み合わせを含む。
同様に、希土類ドーパント／添加剤前駆体（単数または複数）をエアゾールとして供給することが可能である。エアゾール送達に適したいくつかの代表的な希土類前駆体を適切な溶液と共に以降に示す。塩化イットリウム（ＹＣｌ3）およびイットリウム硝酸塩（Ｙ（ＮＯ3）3）は水に溶解可能である。塩化ランタン（ＬａＣｌ3およびＬａＣｌ3・７Ｈ2Ｏ）および六水和ランタン硝酸塩（Ｌａ（ＮＯ3）3・6Ｈ2Ｏ）は水に溶解可能である。塩化ツリウム（ＴｍＣｌ3およびＴｍＣｌ3・７Ｈ2Ｏ）は水に溶解可能である。塩化プラセオジウム（ＰｒＣｌ3およびＰｒＣｌ3・７Ｈ2Ｏ）および六水和プラセオジウム硝酸塩（Ｐｒ（ＮＯ3）3・6Ｈ2Ｏ）は水に溶解可能である。塩化ネオジム（ＮｄＣｌ3およびＮｄＣｌ3・6Ｈ2Ｏ）および六水和ネオジム硝酸塩（Ｎｄ（ＮＯ3）3・6Ｈ2Ｏ）は水に溶解可能である。塩化エルビウムは（ＥｒＣｌ3およびＥｒＣｌ3・６Ｈ2Ｏ）は水に溶解可能である。これ以外の溶解可能な希土類ドーパント（単数または複数）／添加剤（単数または複数）は、例えばＥｒ（ＮＯ3）3、ＣｅＣｌ3、Ｃｅ（ＮＯ3）3を含む。
これ以外の非希土類金属ドーパント（単数または複数）／添加剤（単数または複数）もエアゾールによる送達が可能である。例えば、塩化亜鉛（ＺｎＣｌ2）および亜鉛硝酸塩（Ａｎ（ＮＯ3）2）は水および数種の有機溶液、例えばイソプロピルアルコールに溶解可能である。溶液からのエアゾール送達に適したリチウム前駆体は、例えば、水とアルコールに溶解可能なリチウムアセテート（ＬｉＣＨ3ＣＯ2）およびリチウム硝酸塩（ＬｉＮＯ3）、水、アルコール、およびこれ以外の数種の有機溶液にいくらか溶解可能な塩化リチウム（ＬｉＣｌ）、水とアルコールにいくらか溶解可能な水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）、その他、およびこの内の任意の２つ以上の組み合わせを含む。エアゾール送達に適したビスマス前駆体は、例えば、希釈水性および酸性溶液に溶解可能な窒化ビスマス（Ｂｉ（ＮＯ3）3）、その他、およびこの内の任意の２つまたはそれ以上の組み合わせを含む。アジ化バリウム（Ｂａ（Ｎ3）2およびＢａ（Ｎ3）2・Ｈ2Ｏ）と塩化バリウム（ＢａＣｌ2）は水に溶解可能である。エアゾール送達に適したこれ以外のバリウム組成物は、例えばＢａ（Ｃ2Ｈ3Ｏ2）2、Ｂａ （Ｃ2Ｈ3Ｏ2）2、Ｂａ（Ｃ2Ｈ3Ｏ2）2・Ｈ2Ｏ、およびその組み合わせを含む。適切なアンチモン前駆体は、例えばＳｂ（Ｃ2Ｈ5）3、Ｓｂ（ＯＣ2Ｈ5）3、Ｓｂ2（Ｃ4Ｈ4Ｏ6）3・6Ｈ2Ｏ、およびこれらの組み合わせを含む。
上述したように、フッ化物ドーパント（単数または複数）／添加剤（単数または複数）はいくつかのアプリケーションについて関心のものである。リン酸塩コーティングシリカガラスでは、特定の関心のフッ化物前駆体は、例えば、気体であるためレーザ熱分解／光反応性蒸着室内への蒸気送達に適した三フッ化リン（ＰＦ3）を含む。蒸気および／またはエアゾール送達のためのこれ以外のフッ化物前駆体は、例えば（Ｃ2Ｈ5Ｏ）3ＳｉＦ、（Ｃ2Ｈ4Ｏ）2ＳｉＦ2、（Ｃ2Ｈ5Ｏ）ＳｉＦ3、（Ｃ2Ｈ5）2ＳｉＦ2、Ｃ2Ｈ5ＳｉＦ3、Ｃ6Ｈ5ＳｉＦ3、Ｈ2ＳｉＦ6・ｘＨ2Ｏ、ＳｉＦ4、Ｓｉ4Ｆ3Ｃｌ、ＳｉＦ2Ｃｌ2、ＳｉＦＣｌ3、ＨＰＯ2Ｆ2、ＨＰＦ6・6Ｈ2Ｏ、（ｉ−Ｃ3Ｈ７Ｏ）2ＰＯＦ、Ｈ2ＰＯ3Ｆ、ＣＦ4、ＣＦ3ＣＯＣＦ3・Ｈ2Ｏ、ＡＬＦ3、ＳｎＦ2、ＳｎＦ4、ＧｅＦ2、ＧｅＦ4、ＧｅＦ3Ｃｌ、ＧｅＦ2Ｃｌ2．ＧｅＦＣｌ3、ＴｉＦ4、ＦＣＨ2ＣＯ2Ｈ、Ｃ2Ｆ6、ＣＣｌ2Ｆ2、ＢＦ3・“ｈ2Ｏ、［（ＣＨ3）2Ｎ］ＳＢＦ、Ｃ6Ｈ5ＢＦ2、（４−ＣＨ3Ｃ6Ｈ4）ＢＦ2、（４−ＣＨ3Ｃ6Ｈ4）ＢＦ2、ＨＢＦ4、その他、およびこの内の任意の２つまたはそれ以上の組み合わせを含む。塩化物ドーパント（単数または複数）／添加剤（単数または複数）は、金属／メタロイド要素の塩化物として、またはフッ化物としての類似の組成物として導入することができる。炭素および窒素ドーパント（単数または複数）／添加剤（単数または複数）は、他の前駆体に関連した要素として導入でき、また、炭素をエチレンまたは他の水酸化物として供給することができる。
一般に、粒子および／または対応する粉体コーティングの組成物は材料の目的とする用途に基づいて選択される。同様に、どのようなドーパント／添加剤も同様に選択される。その結果得られる粒子特性は、どのようなドーパント／添加剤および粒子の（単数または複数の）相、例えば結晶性またはアモルファス特徴、ならびにいくつかの実施態様では、粒子サイズおよび粒子サイズ分布をはじめとする組成次第で決まる。いくつかの用途に望ましい特性は特定の組成に関してまたはより一般的にいくらか詳細に上で説明している。
光学アプリケーションでは、シリカガラスを、高ドーパント／添加剤レベルの特定要素で形成することができる。特に、三価リンドープしたシリケートガラス（ＳｉＯ2）は、最高約２７．５重量パーセントまでの範囲（単数または複数）内におけるＰ2Ｏ4濃縮で形成することができ、また、これよりも低い任意の値で高品質のガラスを形成することができる。したがって、三価リンシリケートガラス（ＰドープしたＳｉＯ2）は、約１．４４９０から約１．４６３の範囲（単数または複数）内においてＰドープしたシリケートの屈折率の範囲を提供するために、最高約１．４６３インデックスユニットまでの範囲（単数または複数）内の屈折率で形成することができる。同様に、ゲルマニウムドープしたシリケートガラスを、最高約３７重量パーセントおよび任意のこれよりも低い値までの範囲（単数または複数）内のＧｅＯ2濃度を有する高品質の光学ガラスに形成することができる。ゲルマニウムドープしたシリケートガラスは、約１から約５重量パーセントの範囲内でさらにドープすることができる。これにより、ホウ素ドープしたゲルマニウムシリケートガラス（Ｂ2Ｏ3−ドープした、およびＧｅＯ2−ドープしたＳｉＯ2）は、約１．４５２から約１．４８９インデックスユニットの範囲内の屈折率で形成することができる。これらの高いドーパントレベルに基づいて、Ｐ、Ｇｅ、Ｂドープしたシリケートガラスを、光学装置の形成に有利であるガラス間の高い屈折率を有するアンダークラッドガラス上に形成することができる。
粒子およびコーティング特性
光反応性蒸着（ならびにレーザー熱分解）は非常に均一な粒子、特にサブミクロン／ナノ尺度粒子の形成に特に適している。粒子は直接基板に蒸着させて粒子コーティングを形成できる。粒子サイズが小さく粒子が均一であるため得られるコーティングも、例えば組成ならびに表面平滑性および材料間のインターフェースに関して全体的に均一とできる。特に、平均よりも著しく大きな粒子がないためより均一なコーティングとできる。光学コーティングに関しては、固化／高密度化後のコーティングは等しい条件下で形成された層内および層間の両方で厚みおよび屈折率に関して非常に高い均一性を持つことができる。さらに、高いドーパント濃度のために高い狡猾性と、屈折率における高い変化率を有する光学ガラスを形成することができる。
関心の的となっている粒子の収集体は一般に、一次粒子の平均直径が約２５００ｎｍ未満の範囲、ほとんどの実施態様では約５００ｎｍ未満の範囲、さらなる実施態様では約２５０ｎｍ未満の範囲、他の実施態様では約１ｎｍから約１００ｎｍの範囲、いくつかの実施態様では約２ｎｍから約９５ｎｍの範囲、さらなる実施態様では約３ｎｍから約７５ｎｍの範囲、さらに他の実施態様では約５ｎｍから約５０ｎｍの範囲である。当業者であれば、これらの特定の範囲内の他の平均直径範囲も考えられそれらが本開示の範囲内であることを認識するであろう。粒子直径は一般に透過型電子顕微鏡法により評価される。非対称な粒子の直径は、粒子の主軸に沿って測定した長さの平均に基づいて測定される。一般に、本願で説明する粒子の収集体は実質的にすべての一次粒子が溶融しているというわけではない、すなわちしっかり結合してはっきりした分離可能なインターフェースをなくしているわけではないが、以下に説明するように静電力によって引き付け合うことができる。一次粒子の特徴を維持する粉体コーティングはさらに上で説明されているが下でも説明する。
粒子とは粒子収集体内の分散可能な単位を意味する。従って、しっかりと溶融した一次粒子が収集して粒子を形成している。一次粒子とは透過型電子顕微鏡で区別可能な単位を表しており、これらは顕微鏡マイクログラフでくびれなどで表示されるようにしっかりと溶融できている。
一次粒子は通常ほぼ球状の粗野な外見をしている。もっと近づいて観察すると、結晶性粒子の場合、結晶性粒子は一般に、下に存在する結晶ラティスに対応する小面を持っている。にもかかわらず、結晶性一次粒子は三次元的な物理的寸法にほぼ等しいレーザー熱分解で成長して粗野な球状の外見となる傾向がある。アモルファス粒子は一般にさらに球状の外観を持っている。いくつかの実施態様では一次粒子の約９５パーセントの範囲、そしていくつかの実施態様では約９９パーセントの範囲が、短軸に沿った寸法に対する長軸の寸法の比が約２未満である。
一次粒子はサイズの均一性の度合いを非常に大きくできる。レーザー熱分解による類似の条件下で作成された粒子の分析に基づくと、上述の光反応性蒸着により粒子直径の範囲が非常に狭い粒子が得られる。さらに、適切に中程度の条件下で熱加工を行うと粒子直径の非常に狭い範囲が変わることがない。レーザー熱分解で反応剤のエアゾール送達を使う場合、粒子直径の分布は特に反応条件に敏感となる。とはいえ、もし反応条件を適切に制御すると、エアゾール送達装置で非常に狭い粒子直径分布が得られる。透過型電子顕微鏡マイクログラフの観察から判断されるように、一次粒子は一般にサイズが分布して少なくとも約８０パーセントの範囲、他の実施態様では少なくとも約９５パーセントの範囲、いくつかの実施態様では９９パーセントの範囲の一次粒子が平均直径の約４０パーセントを上回り平均直径の約７００パーセントを下回る直径を持っている。さらなる実施態様では、一次粒子は一般にサイズが分布して少なくとも約８０パーセントの範囲、他の実施態様では少なくとも約９５パーセントの範囲、いくつかの実施態様では９９パーセントの範囲の一次粒子が平均直径の約４０パーセントを上回り平均直径の約３００パーセントを下回る直径を持っている。他のまたはさらなる実施態様では、一次粒子は直径が分布して少なくとも約９５パーセントの範囲、さらなる実施態様では９９パーセントの範囲の一次粒子が平均直径の約４５パーセントを上回り平均直径の約２００パーセントを下回る直径を持っている。当業者であれば、これらの明示されている範囲内の他の範囲も思いつきこれらが本開示の範囲内であることを認識するであろう。
さらに、いくつかの実施態様では平均直径の約１０倍を超える範囲、いくつかの実施態様では平均直径の約５倍を超える範囲、さらなる実施態様では平均直径の約４倍を上回る範囲、さらに別の実施態様では平均直径の約３倍を上回る範囲、他の実施態様では平均直径の約２倍を上回る範囲の平均直径を持つ一次粒子は事実上存在しない。当業者であれば、これらの明示されている範囲内の分布カットオフの他の範囲を思いつきこれらが本開示の範囲内であることを認識するであろう。言い換えれば、粒子サイズ分布には事実上、平均サイズに対して著しく大きなサイズの粒子が少数存在することを表す尾部がない。粒子サイズ分布のこのようなカットオフは、反応区域が小さくこれに対応して粒子の焼入れが急速に行われることが原因となっている。サイズ分布の尾部が事実上カットオフされているということは、平均直径より上の特定のカットオフ値より大きな直径を持つ１０6の粒子が約１個未満であることを表している。いくつかの実施態様では、尾部がないという評価は透過型電子顕微鏡マイクログラフの計算分析により行うことができる。狭いサイズ分布、分布での尾部欠如、およびほぼ球状の形態はさまざまな用途に活用できる。
加えて、サブミクロン／ナノ尺度粒子は一般に純度が非常に高い。さらに、レーザー熱分解によって作成された結晶性サブミクロン／ナノ尺度粒子は結晶性の度合いが高い。粒子表面にいくらか不純物があれば粒子のその焼結温度以下の温度まで加熱することで除去して高い結晶純度のみならず全体的に高い純度とすることができる。
粒子を基板表面に直接収集する場合、基板から反応区域までの距離および基板温度を調整することで基板表面への蒸着特徴を制御できる。表面上の粒子は粉体コーティングを形成する。粉体コーティングは、表面上に無作為に積層した独立した一次粒子の形態とできる。一次粒子のコーティングは隣接および近隣の粒子同士の電磁力によってのみ互いに保持され得る。いくつかの実施態様では、一次粒子同士がある程度溶融しづらい粉体コーティングを形成するのが望ましい場合がある。一次粒子同士の溶融を行うには、基板を反応区域に近づけて配置して粒子が基板表面に衝突するときに完全には焼き入れられないようにするおよび／または、例えばウェハ加熱装置、非粒子生成反応剤の反応から得られる炎、および／または粒子生成中に反応区域から発するガスを使って基板を加熱する。たとえ一次粒子が溶融しづらくても、得られる粉体コーティングは一次粒子のサイズがサブミクロン／ナノ尺度であることから特質を維持する。特に、粉体コーティングに組み込まれた一次粒子は走査型電子顕微鏡で目に見える。加えて、溶融した粒子間のチャネルは一般に、周囲の溶融粒子のサブミクロン／ナノ尺度を、例えば粉体コーティングに延びるサブミクロン／ナノ尺度の直径のチャネルを持つことにより反映する。従って、一次粒子のサブミクロン／ナノ尺度は得られる、サブミクロン／ナノ尺度一次粒子で形成される粉体コーティングに付与される。
サブミクロン／ナノ尺度の粒子は原則的にサイズが小さいことにより表面上に高密度で詰め込まれるが、粒子は粒子間の静電力によりゆるい収集体として表面をコーティングする傾向がある。粉体コーティングの相対的または見かけ上の密度は粒子サイズ、粒子組成および蒸着条件次第で決まりこれらは粒子溶融ならびに粒子同士および表面との力に影響する。相対的密度は同じ組成の完全に高密度化された材料に対して評価される。一般に、サブミクロン／ナノ尺度粒子で形成される粉体コーティングの相対的密度は０．６未満の範囲、他の実施例では約０．０２から約０．５５の範囲、さらなる実施態様では約０．０５から約０．４の範囲である。当業者であれば、これらの特定の範囲内のさらに別の範囲を思いつきこれらが本開示の範囲内であることを認識するであろう。
特定の目的を得るには、コーティングの特性は粉体の層の組成ならびに基板上の材料の位置によって変動し得る。一般に、光学装置を形成するには均一の光学材料を基板上の特定の位置に偏在させる。加えて、複数の粒子層を制御状態で蒸着することで組成が異なる層を形成できる。同様に、コーティングは均一の厚みとするか、基板の異なる部分を厚みの異なる粒子でコーティングできる。異なるコーティング厚みは粒子ノズルに対する基板のスイープ速度を変動させる、より厚い粒子コーティングを受ける基板部分を複数回スイープする、または例えばマスクを使って層をパターニングするなどにより付与できる。粒子を選択的に蒸着する方法は上で説明している。あるいはまたはこれに加えて、均一な材料に固化する前または後に蒸着後エッチングなどにより層を形作ることができる。
従って、本願で説明する材料の層は他の層と同じ平面範囲を持たない特定の層を備える場合がある。例えば、いくつかの層は基板表面全体かまたはその大きな部分を覆うが他の層は基板表面の小さな部分を覆う。このようにして、層は１つ以上の局所化された装置を形成できる。平面状基板に沿った何らかの特定のポイントでは、構造の断面は表面に沿った他のポイントよりも異なる数の識別可能な層がはっきりと現れている場合がある。一般に、光学上の用途では、粒子コーティングは厚みが約５００ミクロン未満の範囲、他の実施態様では約２５０ミクロン未満の範囲、さらに別の実施態様では約５０ナノメートルから約１００ミクロンの範囲、さらなる実施態様では約１００ナノメートルから約５０ミクロンの範囲である。当業者であれば、これらの明示されている範囲およびサブ範囲内のさらに別の範囲を思いつきこれらが本開示に網羅されることを認識するであろう。
本願で説明する方法は、層内および等しい条件下で形成された層同士で均一性が非常に高い固化層／コーティングを形成する。ガラス総の厚みは、例えば、Ｈｉｔａｃｈｉより販売されているＳＥＭ機器のような断面観察を有する走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、例えばＦｉｌｍＴｅｋ（登録商標）４０００（Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、Ｃａｒｌｓｂａｄ、ＣＡ）のような分光測光器ベースのフィルム分析装置、または、２０１０ Ｐｒｉｓｍ Ｃｏｕｐｌｅｒ（Ｍｅｔｒｉｃｏｎ Ｃｏｒｐ．、Ｐｅｎｎｉｎｇｔｏｎ、ＮＪ）のようなプリズム結合ベースの装置を用いて行うことができる。ガラス層にかけての厚み変化を測定するには、例えば、フィルム上の９箇所にＭｅｔｒｉｃｏｎ Ｐｒｉｓｍ Ｃｏｕｐｌｅｒを使用して厚みを測定することができる。さらに、またはあるいは、断面の、例えば第１方向に沿った約１０箇所、および垂直方向に沿った１０箇所に対してＳＥＭ分析を実施することができる。ＦｉｌｍＴｅｃ（登録商標）分光光度法装置を使うと、機器を自動化することができ所望の数のポイント、一般には９個以上のポイントで測定値をとることができ、さらなる実施態様では１０個、２０個、３０個以上のポイントで測定値をとることができる。平均および標準偏差はこれらの測定値から得ることができる。ガラス層の厚みおよび厚みの均一性を評価する場合、縁部に沿って１センチメートル幅が排除される。いくつかの実施態様では、面積が少なくとも約２５平方センチメートルの基板の厚みの標準的な偏差は約０．５ミクロン未満の範囲であり、他の実施態様では約０．３５ミクロン未満であり、さらなる実施態様では約０．０７５から約０．２５ミクロンである。加えて、等しい条件下でコーティングされた複数の基板間の平均厚みの標準的な偏差は約０．１ミクロン未満であり、他の実施態様では約０．０８ミクロン未満であり、さらなる実施態様では約０．０４から約０．０６ミクロンである。当業者であれば、上で明示的に示された範囲内で層内および異なるウェハの層同士の厚みのさらに別の偏差を思いつきこれらが本開示の範囲内であることを認識するであろう。
ガラスの屈折率の一部分は、光学伝播特性において決定される。ここで記述している技術を使用することで、特定のガラス層と、環境条件下で付着した層の間において非常に高い屈折率の均等性が得られる。屈折率は、例えば、Ｍｅｔｒｉｃｏｎ Ｃｏｒｐ．，から販売されているプリズムカップラのようなプリズムカップラ、またはＦｉｌｍＴｅｋ（登録商標）４０００分光測光機器により測定できる。ガラス層の屈折率の測定は、厚み測定に用いたものとほぼ同一の箇所数について得ることができる。一般に、屈折率測定のために、縁に沿って１センチメートルのバンドが除外される。ガラス層の測定に基づいて、平均的および標準的な逸脱を計算することができる。いくつかの実施形態において、少なくとも約２５平方センチメートルの範囲を有する基板上のガラス層における屈折率の標準的な逸脱は、わずか約０．００１の範囲（単数または複数）であってよく、別の実施形態では、わずか約０．０００８の範囲（単数または複数）、さらなる実施形態では、わずか約０．０００１から約０．０００６の範囲であってよい。さらに、環境条件下でコーティングした複数の基板間でのガラス層上における平均屈折率の標準的な逸脱 は、わずか約０．００１の範囲（単数または複数）であってよく、さらなる実施形態では、約０．０００６の範囲（単数または複数）、別の実施形態では、約０．００００５〜約０．０００４の範囲（単数または複数）であってよい。当業者は、コーティング内の標屈折率における標準的逸脱と、環境条件下で形成されたコーティング間の平均的屈折率との明白な範囲内におけるさらなる範囲が考えられ、これが本開示の範囲内に包括されることが理解できるだろう。
さらに、基板上のガラスコーティングの表面の粗さを大きく低下させることができる。一般に、表面の粗さは、比較する表面の特定範囲に関連して評価される。
時間および解像度の問題により、特定の領域にわたって表面粗さを評価するのに異なる技術を特に適応させてよい。例えば、原子力顕微鏡（ＡＦＭ）を使って約２０ミクロン×２０ミクロンの面積の基板にわたって二乗平均平方根表面粗さを評価できる。本願ではこれをＲAFMと呼ぶ。適切なＡＦＭ機器としては、例えば、Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社（Ｓａｎｔａ Ｂａｒｂａｒａ、ＣＡ）のＭｏｄｅｌ Ｎａｎｏｓｃｏｐｅ（登録商標）４が挙げられる。本願で説明する技術を使って、ＲAFM値および同様に平均粗さ値（Ｒa）がわずか約０．５ナノメートル（ｎｍ）の範囲で、他の実施態様では約０．１ｎｍから約０．３ｎｍの範囲で得られる。干渉計法を使うと、４８０ミクロン×７３６ミクロンといったより広い面積にわたって表面粗さ測定値が得られる。干渉計プロファイラは光学的非接触技術であり、サブナノメートルからミリメートル尺度の表面粗さを測定できる。表面プロファイル測定値を得るのに適したデジタル信号処理を使う干渉計プロファイラとしては、Ｖｅｅｃｏ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社（Ｗｏｏｄｂｕｒｙ、ＮＹ）から販売されているＷｙｋｏシリーズプロファイラがある。光反応性蒸着を使い、４８０ミクロン×７３６ミクロンにわたる二乗平均平方根表面粗さ（Ｒrms）値および同様に平均表面粗さ（Ｒa）をわずか約１０ｎｍの範囲で、さらなる実施態様では約１ｎｍから約５ｎｍの範囲で得ることができる。当業者であれば、明示されている範囲内でさらに別の表面粗さの範囲を思いつきこれらが本開示の範囲内であることを認識するであろう。
低い面内透過損失を得つつ速い蒸着速度および高い均一性といった光反応性蒸着の利点を得ることができる。いくつかの実施態様では、連結技術によって測定した場合、１５５０波長光についての面内損失は約０．１ｄＢ／ｃｍ未満の範囲とでき、他の実施態様では約０．０５ｄＢ／ｃｍ未満とできる。当業者であれば、面内損失のこれらの明示されている範囲内でさらに別の範囲を思いつきこれらが本開示の範囲内であることを認識するであろう。面内損失は、面内光透過について例えばコアからの吸収および散乱による透過光の減衰を反映する。これらの損失値は商業的に許容範囲内である。
粉体コーティングの組成の改質
粒子を作成するための反応剤の流れに元素を適切に導入することによって蒸着中に組成を選択できるが、あるいはまたはこれに加えて、粉体コーティングの形成後、粉体コーティング組成を改質できる。粉体コーティングの組成改質は、ほぼ化学量論的な量の（単数または複数の）元素および／または（単数または複数の）ドーパント／（単数または複数の）添加剤の導入を必要とする場合がある。サブミクロン／ナノ尺度の一次粒子が粉体コーティングに組み込まれているため、粉体コーティングは表面積が大きくこれによりさらに別の（単数または複数の）元素を最初の材料に組み込むことが簡単となる。材料が固化しない温度で穏やかに加熱することにより１つ以上のさらに別の元素を粉体コーティングに組み込むことができる、または粉体コーティングを均一な材料に固化する最中に高密度化材料に組み込むことができる。（単数または複数の）さらに別の元素を反応チャンバ内で、または反応／コーティングチャンバから取り除いた後、粉体コーティングに添加できる。（単数または複数の）元素を、コーティングされた基板を反応チャンバから取り除いた後に粉体コーティングに添加する場合は、さらに別の（単数または複数の）元素を直接または電子移動蒸着を使って粉体コーティングに添加できる。この方法のいくつかの実施態様では、組成導入プロセスを開始する前に粉体コーティングを部分的に固化させて、コーティングのすべてのサブミクロン／ナノ構造化特徴を一般になくすことなくコーティングを安定化させることができる。
一般に、所望の元素を含む１つ以上の改質元素を組成物として添加する。組成物中のどのような残留元素も加熱プロセス中に一般に揮発すると思われるが、組成物からの酸素または他の非金属／メタロイド元素は粉体コーティングに編入する可能性がある。例えば、加熱処理中の金属／メタロイド硝酸塩は金属／メタロイド元素をホスト材料に組み込み窒素酸化物を取り除いて組成物の対向イオンを取り除く可能性がある。組成物を、溶液、エアゾール、および／または粉体として粉体コーティングに添加できる。一般に、溶液を使うと溶液が粉体コーティング全体にわたりまた中に流れることにより、組成物が粉体コーティング全体にわたってより簡単に広がる。溶液の濃度は、粉体コーティングを適切に湿潤させる体積の液体を使うことで所望の量の改質元素で組成物のより均一な分布がもたらされるように選択できる。表面活性剤および／または溶媒の選択を利用することで、表面張力を小さくし実質的に均一に溶液を簡単に広がらせることができる。溶媒は、粉体コーティングを加熱加工して改質元素を粉体コーティングに組み込む前および／または最中に蒸発させることができる。どのような表面活性剤も、例えば固化工程で分解により揮発するように選択できる。
反応剤送達システムを使うことで反応チャンバ内で組成物を粉体コーティングに添加できる。特に、改質元素を含む組成物を、反応剤注入口を介して組成物の溶液をスプレーしてコーティング装置内で添加することで組成物が基板の全部分または選択された部分に添加されるようにする。改質元素を含む組成物は、例えば、エアゾール送達システムを使ってエアゾールとして添加できる。放射ビームは組成物のスプレー中はオフとするか、または非常に低力に切り替えて組成物と反応させることなく溶媒の一部を蒸発させるようにする。上述の反応剤送達システムは未反応組成物の送達に適応させることができる。コーティングプロセスを使うことで、例えば改質元素を一定の比率とした状態で溶液の送達の流れを通じて基板をスイープすることにより、粉体コーティングにほぼ均一なコーティングを塗布できる。
あるいは、粉体コーティングを反応／コーティングチャンバから取り除いた後、改質元素を粉体コーティングに添加できる。改質元素は、一般に組成物の形態で、液体、エアゾールおよび／または粉体として、例えばスプレー、ブラッシング、ディッピングなどによって粉体コーティングに添加できる。反応チャンバ内で添加される溶液を使う場合のように、溶液の濃度および他の特性は粉体コーティングおよび／または固化材料内で改質元素が均一に分布するように選択できる。粉体コーティングのディップコーティングは粉体コーティング全体にわたって組成物を均一に分布させるのに便利な方法である。
改質元素を含む組成物を粉体コーティング全体にわたってそれを通って自然に移動させるかわりに、電界を使って（単数または複数の）改質元素のイオンをホストマトリックスに追いやることができる。具体的には、（単数または複数の）改質元素は電気泳動または電気移動蒸着を使って材料中に導入できる。この方法では、電界を使ってイオンを粉体コーティングのホストマトリックスに追いやる。ホストイオンを含んだ溶液を粉体コーティングに接触させる。一般に、電極を基板コーティングの後ろに配置し対向電極を溶液中に配置して、基板の背後の電極に向かって追いやられるイオンが粉体コーティングに追いやられるようにする。所望の場合は、それぞれのタイプの電極を１つより多く使うことができる。加えて、複数の改質元素を電気移動蒸着によって同時にまたは順次粉体コーティングに導入できる。粉体コーティングへの電気移動蒸着は、本願でその全体を参考文献として援用する、「ナノ粒子生成および対応する構造体」という名称の係属中で一般に譲渡されている米国特許出願シリアル番号第１０／１９５，８５１号にさらに記載されている。
改質元素、例えば（単数または複数の）ドーパント／（単数または複数の）添加剤は、溶液バリアを使って溶液を粉体コーティングの一部にだけ選択的に接触させることにより、粉体コーティングの選択された部分に導入することができる。あるいはまたはこれに加えて、電子処理で使われる従来のレジストのようなマスクで粉体コーティングの一部を覆うことで、マスクされた領域に改質元素が移動するのを防止できる。図２０の実施態様を参照すると、コーティングされた基板６２０は、溶液をそのコーティングされた基板の一部に制限しているバリア６２２に接触されている。さらに、コーティングされた基板６２０の一部はマスク６２４で覆われている。この実施態様では、粉体コーティングは改質元素を含む溶液に接触している非マスク部分にドーピングされている。マスキングは一般に、均一材料内の層の固化の後に所望の素子を形成するように選択される。異なる改質元素の電気移動蒸着間でマスキングを変えることにより複数の改質元素を、コーティングされた基板の同じおよび／または異なる、ただし必要に応じて重複した部分に順次添加することができる。
さらなる実施態様では、所望の改質元素、例えば（単数または複数の）ドーパント／（単数または複数の）添加剤を含む組成物は反応チャンバ内で別々に反応させて粉体コーティングにコーティングさせる。従って、改質元素を含む粉体の別の層をホスト粉体の上に蒸着できる。特定の例として、もしホスト粉体が金属／メタロイド酸化物であれば、改質金属／メタロイド酸化物の粉体はホスト粉体コーティングの上の別の粉体コーティングとして形成できる。固化時に、材料は溶融して均一な組成物となり材料全体にわたって改質元素がほぼ均一に分布できている。改質元素の粉体の量は、所望のレベルの改質元素、例えば（単数または複数の）ドーパント／（単数または複数の）添加剤を生み出すように選択できる。コーティングプロセスは繰り返し行って、ホスト粉体コーティング（Ｈ）および改質粉体コーティング（Ｄ）の層を所望の比率、ＨＤＨＤＨＤ．．．あるいはＨＤＨＤＨ．．．で形成でき、この場合、もし改質された粉体コーティング層が複数層コーティング積層物の一番下または一番上で基板または表面がそれぞれ、改質された層の１つの側面を取り囲んでいるのでなければ、改質粉体コーティング層は常にホスト層で取り囲まれている。当然ながら、いくつかの実施態様において単一のホストまたは改質粉体コーティング層を形成する場合、コーティング装置内で複数のコーティングに複数回通過させ通過ごとに反応剤／生成物の流れを通じて基板をスイープすることができる。交互に配置される層の数は、所望の全厚みおよび改質元素分布が得られるように選択できる。特に、ホスト層がより薄く改質粉体コーティング層がそれに対応していれば最終的に固化した材料内で改質元素がより均一に分布することになる。一般に、交互に配置される層は少なくとも１つのホスト層および１つの改質粉体コーティング層を含んでおり、いくつかの実施態様では約５０個未満のホスト層および約５０個未満の改質粉体コーティング層であり、さらなる実施態様では、３つのホスト層および２つの改質粉体コーティング層から約２５個未満のホスト層および約２５個未満の改質粉体コーティング層を含んでいる。当業者であれば、これらの明示されている範囲内の他の範囲を思いつきこれらが本開示の範囲内であることを認識するであろう。
一般に、改質元素を粉体コーティングに導入するためのさまざまな方法を組み合わせて１つまたはそれ以上の改質元素を粉体コーティングに、そしていくつかの実施態様では、究極の固化した材料に導入することができる。特に、粉体コーティングの形成中に、（単数または複数の）ドーパント／（単数または複数の）添加剤のような１つ以上の改質元素を導入するための方法、および粉体コーティングを蒸着した後に改質元素を導入する方法は上で説明されている。例えば、複数の技術を使って特定の改質元素を導入することで所望のレベルの改質元素および／または粉体コーティング内での改質元素の分布および／または固化した材料が得られる。加えて、複数の改質元素を蒸着する場合、加工の便宜上および／または得られる固化した材料を所望の特性とするために、上述の１つ以上の技術を使ってそれぞれの改質元素を蒸着できる。
高密度化材料を形成するための固化／焼結
加熱処理は粒子を焼結させ、粉体小型化、すなわち高密度化させて光学材料のような所望の材料密度を形成する。粒子のこのような焼結は一般に固化と呼ばれる。一般に、完全に強化または圧縮強化された材料は均等な材料であり、つまり、一般に多孔性組織ではないが、材料の均等性に無作為の欠陥が存在していてもよい。部分的に固化したまたは高密度化した材料は、孔ネットワークが残っているが孔のサイズは小さくなっており粒子の溶融により固体マトリックスが強化されて硬質の粒子間ネックを形成している。光学材料を固化、すなわち高密度化するには、結晶性材料の場合は材料を溶解点より高温に加熱するか、またはアモルファス材料の場合は流体温度、例えばガラス転移温度、および場合によっては、それ以下ではガラスが自己支持するという軟化点より高温に加熱して、粘性の液体を形成することによりコーティングを高密度化材料に固化する。固化を利用して層中にアモルファス、結晶性、または多結晶性相を形成できる。これらの層は完全にまたは部分的に高密度化されている。一般に、固化は層をパターニングする前または後に行うことができる。リアクタ炎で予備的な加熱処理をほどこして、固化プロセス中の（単数または複数の）ドーパント／（単数または複数の）添加剤の移動を少なくし部分的に材料を高密度化することができる。ここで記述した技術を用いることで、ドープしたガラスを平坦な光学装置に発展させることができる。
一般に、加熱は材料の粘度を低めるような条件下で行って流れを促進するようにする。典型的な固化温度では粘性が高いため材料は一般には基板表面にはあまり流れないものの、小さな隙間は充填できる。より高温で処理して溶解物の粘度を低くすると基板が望ましくなく溶解したり、組成物が層間で移動したり、または基板の選択された領域から流れ出したりする可能性がある。加熱および焼き入れ時間は調整して、密度のような固化コーティング特性を変えることができる。最終的な固化材料は均一であり得るが、材料の密度は処理条件次第でわずかに変動し得る。加えて、加熱処理を使った組成物の改質に関して上でさらに説明したように、加熱処理により望ましくない不純物を取り除いたりおよび／または材料の化学量論および結晶構造を変化させることができる。
粉体層を蒸着した後、前駆体を遮断して反応剤の流れが燃料、および反応して粒子のないガス状／蒸気生成物を形成する酸素供給源だけを含むようにできる。燃料および酸素供給源の反応から得られる炎を使ってコーティングされた基板を、基板にさらに別の材料を全く蒸着することなく加熱できる。かかる加熱工程は、ドーピングされたシリカガラスが完全に固化する際に（単数または複数の）ドーパント／（単数または複数の）添加剤の移動を小さくすることが観察される。炎加熱工程はいくつかの層をコーティングする工程の間またはいくつかの層を蒸着した後行うことができ、この場合、それぞれのコーティング層は他の層と同じ組成であってもなくてもよい。一般に、所望の数の層または所望の量の材料が蒸着された後、最終的な固化加熱処理を行って材料を完全に固化する。均等な組成物にコーティングを形成する上で、同一組成の１枚またはそれ以上の粒子層を付着することができる。全ての層は、例えば炎によって、任意の強化または部分強化の前に付着することができ、または、同一の組成を有する粒子で形成された各層あるいは層のサブセットの後に部分強化を実施することができる。最終的な強化の後、均等な組成物の粒子で形成された層に、強化処理の最中のドーパント（単数または複数）／添加剤（単数または複数）の移動により、材料の厚みにかけてのドーパント／添加剤の濃度（単数または複数）に変化が起こる可能性がある。
適切な処理温度および時間は一般に粒子の組成によって決まる。サブミクロン／ナノメートル尺度の小さい粒子は一般に、より大型の粒子を持つ粉体に対してより低温および／またはより短時間で処理できる。なぜならサブミクロン／ナノ尺度の粒子はバルク材料と比較して溶解点がより低いためである。しかしながら、向上したサブミクロン／ナノ尺度粒子の溶融からより高い表面狡猾性を得るためには、比較可能な溶融温度を用いることが望ましい。
酸化ケイ素サブミクロン／ナノ尺度粒子の処理では、粒子コーティングを、約８００℃〜１７００℃の範囲（単数または複数）内の温度に加熱することができるが、シリコン基板の場合には、上限は約１３５０℃であってよい。適切なセラミック基板ではより高い温度が達成できる。酸化ケイ素粒子中のドーパント（単数または複数）／添加剤（単数または複数）は、適切な強化温度を低下させる可能性がある。そのため、ドーパント（単数または複数）／添加剤（単数または複数）は、より低い温度において均等な光学材料内を流動するものを選択する。酸化ケイ素（ＳｉＯ2）内に配置することで流動温度を低下させるのに適切なドーパント（単数または複数）／添加剤（単数または複数）は、例えばホウ素、三価リン、ゲルマニウム、フッ素、ゲルマニウム、アルミニウム、ソジウム、カルシウム、およびこれらの組み合わせを含む。強化のための所望の流動温度と、強化した光学材料の屈折率とを達成するために、１つまたはそれ以上のドーパント／添加剤の量および組成を選択することができる。
加熱処理は適切なオーブンで行うことができる。圧力および／またはガスの組成に対してオーブンの雰囲気を制御するのが望ましい場合がある。適切なオーブンとしては、例えば、コーティングされた基板を含んだ空間をガスが流れている誘導加熱炉、ボックス加熱炉、チューブ加熱炉が挙げられる。加熱処理は、コーティングされた基板をコーティングチャンバから取り除いた後行える。他の実施態様では、加熱処理はコーティングプロセスに一体化して処理工程を装置内で自動化したかたちで順次行えるようにできる。
多くの用途では、組成の異なる複数の粒子コーティングを塗布するのが望ましい。一般に、これらの複数のコーティングはコーティング中の基板のｘ−ｙ面にわたって互いに隣接して配列できる（例えば、生成物の流れに対する基板の移動方向に垂直方向）か、またはコーティング中の基板のｚ面にわたって互いに上に積み重ねるか、または隣接するドメインおよび積み重ね層のどのような適切な組み合わせでも配列できる。それぞれのコーティングは所望の厚みに塗布できる。
いくつかの実施態様については、異なる組成物を１つの層内および／または隣接する層に互いに隣接して蒸着できる。同様に、組成の異なる別々の層を交互に配置された層となるように蒸着できる。具体的には、組成の異なる２つの層を互いに重ねて蒸着でき、またはこれに加えてまたはそのかわりに、層Ａおよび層ＢでＡＢとして形成されるように隣り合わせに蒸着させることができる。他の実施態様では、それぞれ組成の異なる２つより多くの層を、層Ａ、層Ｂ、および層Ｃが３つの連続した（例えば互いに上に、または隣接して、または隣接および上に積層された）層ＡＢＣとして蒸着できる。同様に、組成の異なる層を交互に順次、ＡＢＡＢＡＢ．．．またはＡＢＣＡＢＣＡＢＣ．．．のように形成できる。特定の組成および／または特性を持つ層の他の組み合わせも所望のように形成できる。
それぞれが特定の組成を持つ個々の均一な層は一般に、固化後、平均的な厚みがわずか１００ミクロン未満の範囲であり、多くの実施態様では約０．１ミクロンから約５０ミクロンの範囲であり、他の実施態様では約０．２ミクロンから約２０ミクロンの範囲である。当業者であればこれらの特定の範囲内の範囲を思いつきこれらが本開示の範囲内であることを認識するであろう。組成の同じ粒子から形成されるそれぞれの均一な層は光反応性蒸着装置で生成物の流れを１回以上通過させることにより形成できる。厚みは構造体が最大の表面積を持っている投射面に垂直に測定される。
複数の粒子コーティングを持つ材料は、それぞれの層を蒸着後、または複数の層を蒸着後、または２つの方法の何らかの組み合わせによって加熱処理できる。最良の加工順序は一般、材料の高密度化メカニズム次第で決まる。しかしながら、一般に、加熱処理および複数の層の高密度化を同時に行うのが望ましいであろう。具体的には、複数の層を同時に高密度化すると製造プロセスの時間が短縮され複雑さが緩和され、その結果、製造費用が安くなる。もし加熱温度が合理的な値で選択されれば、加熱された材料は層がインターフェースで望ましくない程度同化することがないような十分な粘性のまま残る。層がわずかに同化しても一般には性能には影響しない。前駆体流体または全ガス流体といった反応条件を変えることにより、単一の層内または層同士でｚ方向に粒子サイズを変えた状態で粒子を蒸着できる。従って、より小さな粒子をより大きな粒子の上に蒸着できる。粒子は小さいほど一般により低い温度で軟化するため、固化工程中に、上側層を固化しても下側層が破損しにくくできる。蒸着後パターン化構造体を形成するには、リソグラフィおよびフォトリソグラフィのようなパターンニング方法を、化学エッチング、ドライエッチング、または放射ベースのエッチングのようなエッチングと一緒に使うことで１つ以上の層に所望のパターンを形成できる。このパターンニングは一般に、さらに別の材料を蒸着する前に構造体に対して行われる。パターンニングは粒子層または固化層に対して行うことができる。
光学構造体
上述のように、粒子および固化材料は、例えば好学用途を含むさまざまな用途を持っている。特に、固化後形成された均一な材料はファイバプレフォームおよび平面状光学構造体といった光学装置の形成に使うことができる。本願で説明する改善された材料はさまざまな望ましい光学装置に有利に組み込むことができ、これらは一体型光学および電子光学構造体に組み込むことができる。特に、いくつかのドーパント／添加剤は望ましい機能的特性を導入すると同時に他のドーパント／添加剤は複数の層および／または他の特徴を持つ構造体を形成するための加工を改善する。上述の方法を使うことにより、選択された組成物および／またはドーパント／添加剤を、基板の選択された部分内に局所化させて、構造体の蒸着を誘導することができる。
可能な加工改善の一例として、流体温度がより低い基板から遠く離れた層で層化構造体を一般に形成することで、上側層の固化により下側層が再溶解しないようにするか、または一緒に固化されている場合は、下側層の粘性が過度に低下しないようにして材料の流体が希望以上に流れないようにする。ホストおよびどのようなドーパント／添加剤に対しても材料組成を変える能力がより大きいため、層化構造体の加工に望ましい流体温度を選択する能力が対応してより大きくなっている。特定の例として、層化構造体を図２１に示す。光学構造体６５０は基板６５８上に光学層６５２、６５４、６５６を持っている。加えて、基板上に構築される単斜晶構造体を形成する場合、一般に、異なる材料を隣接する層になるよう塗布する。異なる材料は異なる熱膨張係数を持ち得る。加工中、一般に構造体を加熱し冷却して材料を固化する。ホストおよびドーパント／添加剤組成も同様に選択して両立可能な熱膨張係数を持つようにすることで応力およびどのような対応する光学ひずみも緩和される。
一般に、光ファイバおよび兵免状の光学装置を通る光路は導波路の形態をとり、これは屈折率のより低いクラッドで取り囲まれている屈折率のより高い材料である。代表的な例として、基板上の光学回路を図２２および２３に概略的に示す。図２２に示すように、光学回路６７０は基板６７８上に光学装置６７２、６７４、６７６を備えている。光学装置６７６を備える断面図を図２３に示す。光学装置６７６は下クラッド光学材料６８２、コア光学材料６８４、および上クラッド光学材料６８６を備えている。一般に、コア光学材料６８４は下クラッド光学材料６８２および上クラッド光学材料６８６とは屈折率のような何らかの光学特性が違う可能性があり、これは例えば組成の違い、密度の違い、または結晶構造の違いによるものであり得る。下クラッド光学材料６８２は上クラッド光学材料６８６とは組成および／または光学特性が違っても違わなくてもよい。上クラッド層６８６は一般に２つの層に沿って配置される、すなわちコア光学材料と上に存在する層とが共有する層である。
基板６７８は例えばシリコンおよび／またはアルミナなどの他の高溶解材料で形成できる。一般的な基板としては円形ウェハであるが、正方形または他の形状の基板も使うことができる。プレフォームを形成する場合、基板を１つの寸法を非常に長く形作るのが望ましい場合がある。アスペクト比は約１：５から約１：５０の範囲であり得、他の実施態様では約１：１０から約１：２５であり得る。当業者であれば、これらの明示されている範囲内の範囲およびサブレンジを思いつきこれらが本開示の範囲内であることを認識するであろう。同様に、プレフォームについては、コーティングがさらに塗布されるのにつれてコーティングの寸法が変わって最終構造体が矩形の形状を持たないようにすることで、プレフォームからファイバを簡単に引き出せるようにするのが望ましい場合がある。
関心の的となっている光学装置は、例えば、光学連結器、分配器、アレー化導波格子（ＡＷＧ）などのような光導波装置が上げられる。基板表面上に製造された導波器は平面状導波器と呼ばれる。平面状導波器は光通信および他の光電子用途のための一体型光学回路の生産に有用である。関心の的となる他の光学装置としては、例えば、３次元光学メモリ装置、ブラッグ勾配、光学減衰器、光学分配器／連結器、光ファイバ、光学スイッチ、レーザー、変調器、相互接続、光学断路器、光学アドドロップ（ａｄｄ−ｄｒｉｐ）マルチプレクサ（ＯＡＤＭ）、光学増幅器、光学偏光器、光学循環器、相シフタ、光学鏡／反射器、光学相遅延器、および光学検出器などが挙げられる。
希土類ドーピングガラスは光学増幅器の形成に使用するのに特に適している。増幅器材料は光学材料に反対向きに連結されたポンプ光信号によって励起される。ポンプ光を向けることで希土類ドーピング材料を励起できる。光学入力はポンプ信号よりも低い周波数で光学材料を通過し、その後誘導放出によって増幅される。従って、ポンプ光からのエネルギーを使って入力光信号が増幅される。光学増幅器はＣｒ+4イオンを使っても形成できる。加えて、希土類イオンをポンプ感応材として使うことでポンプ効率を改善でき、または希土類エミッタのための他のポンプ帯を提供できる。例えば、ＹＢ+3はＥｒ+3の感応材となり得、Ｈｏ+3はＴｍ+3エミッタのポンプ帯を提供できる。
代表的な増幅器構造を図２４の断面図に示す。下クラッド層６９０は基板６９２上に配置されている。コア層６９４は光路に沿って導波路６９８、７００の間に増幅器材料６９６を含んでいる。ポンプ導波路７０２は増幅器材料６９６に光学的に接続されている。ポンプ導波路７０２は同じ層内でクラッド７０４で取り囲まれておりポンプ光源に接続している。上クラッド７０６をポンプ導波路７０２上全体にわたって設けることができる。
ホストおよびドーパント／添加剤を選択して複雑な光学組成物を形成する能力が改善されておりこの能力を使うことにより、光学構造体内の１つ以上の材料に複数の機能性を導入することができる。例えば、増幅、紫外線／可視感応性および／または常磁特性を導入できる。増幅特性は上で説明済みである。紫外線／可視感応性は、例えばＣｅ+3、Ｔｂ+3、Ｅｕ+2、Ｓｎ+2、および／またはＧｅ+4で導入できる。特に、紫外線／可視感応性材料の屈折率は高エネルギー光、例えば青色光または紫外線光に材料を露光した後、長期間にわたって変化する。このような屈折率の変化を使うことで、紫外線／可視光の干渉パターンを使って屈折率の周期的な変化が導入された導波路器および格子のような光学装置を形成できる。常磁効果は、例えばＣｅ+3、Ｔｂ+3、Ｇｄ+3、Ｙｂ+3、および／またはＤｙ+3で導入できる。常磁材料はファラデー効果が向上されている。ファラデー効果を使うことで光の偏光を変えることができ、これにより材料の透過および反射特性に影響を与えられる。具体的には、ファラデー効果は平面偏光された光を回転させる。これによりコア導波路内で一方向に光が伝播する。ベルデ定数の大きさそしてファラデー効果は常磁性を向上させることで高めることができる。向上されたファラデー効果を使うことで光学回転子およびファラデーアイソレータのようなより小型の光学装置を構成できる。
光ファイバプレフォーム用の層化構造体、および一体型平面状光学構造体などの平面状光学構造体は、本願でその全体を参考文献として援用する、Ｂｒｙａｎらによる「多層化光学構造体」という名称の係属中の、発明の譲渡人に譲渡された、米国が指定国とされているＰＣＴ出願第ＰＣＴ／０１／４５７６２号、および本願でその全体を参考文献として援用する、Ｂｉらによる「光学構造体の三次元的エンジニアリング」という名称の係属中の、発明の譲渡人に譲渡された、米国特許出願番号第１０／０２７，９０６号にさらに記載されている。
実施例１−リンドーピングシリコン酸化物光学コーティング
この実施例は、熱的シリコン酸化物下クラッド層を含んだシリコン基板上のリンドーピングシリコン酸化物ガラス（ＰＳＧ）のコーティングを説明するものであり、光反応性蒸着を使って粉体コーティングを形成しこれはその後ガラスに固化されている。
光反応性蒸着を使って粒子コーティングをほどこした。ここでは生成物粒子の流れにウェハを通過させることにより反応チャンバ内でウェハコーティングが行われた。光反応性蒸着装置は本質的に図１１−１９に示すとおりであった。５枚の等しいウェハを等しい条件下でＰＳＧガラスでコーティングした。
リンドーピングＳｉＯ2を熱的酸化物コーティングを持つ直径４インチのシリコンウェハのそれぞれに光反応性蒸着によりコーティングした。熱的酸化物でコーティングされているウェハは熱的酸化物コーティングの厚みが１３ミクロンであった。シリコン四塩化物（Ｓｔｒｅｍ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社、Ｎｅｗｂｕｒｙｐｏｒｔ、ＭＡ）前駆体蒸気を蒸気の部分圧を固定した状態でフラッシュ蒸発器を使って反応チャンバ内に導入した。同様に、ＰＯＣｌ3（Ｓｃｈｕｍａｃｈｅｒ社、Ｃａｒｌｓｂａｄ、ＣＡ）をフラッシュ蒸発器から反応チャンバに供給した。アルゴンガスを希釈／不活性ガスとして反応剤の流れに混合し反応を和らげた。Ｃ2Ｈ4ガスをレーザー吸収ガスとして使った。Ｏ2を酸素供給源として使い反応剤と混合した。ＳｉＣｌ4、アルゴン、ＰＯＣｌ3およびＣ2Ｈ4を含んだ反応剤ガス混合物を反応剤ガスノズルに導入して反応チャンバに射出した。
実行中、反応剤ノズルを以下に規定する速度で８回、ウェハ上で前後に移動させた。一回の通過ごとに約２．５秒必要であり、基板を一回通過して一回戻って１サイクルであり、サイクル間にはいくらかの遅延がある。光反応性蒸着によってリンドーピングシリコン酸化物コーティングを生産するための反応条件を表１に記載する。
Figure 2007525592
 ｓｃｃｍ＝分当たりの標準立法センチメートル
コーティング作業の完了後、ウェハはウェハの表面全体にわたって均一で、白色の粉体状コーティングを持って現れた。コーティングの厚みは、Ｈｉｔａｃｈｉ（登録商標）モデルＳ−３０００Ｈ機器を使った走査電子顕微鏡法（ＳＥＭ）で測定してほぼ７０ミクロンであった。
ウェハを粉体でコーティングした後、表２に規定する条件下で１７１０シリーズボックス炉（ＣＭ Ｆｕｒｎａｃｅｓ社、Ｂｌｏｏｍｆｉｅｌｄ、ＮＪ）でコーティングを固化した。コーティングされたウェハを１３３５℃の炉に挿入し、炉全体にわたって流されているヘリウム雰囲気下で１時間、炉の中に放置した。１時間後、温度を１３３５℃から分当たり１００℃の速度で低くした。５００℃でウェハをオーブンから出した。
Figure 2007525592
 ｓｃｃｍ＝分当たりの標準立法センチメートル

オーブンから取り出した後、ウェハ表面を透明ガラスでコーティングした。ガラス層は５枚のウェハについて平均厚みが５．１９ミクロンであった。厚みの標準ずれはそれぞれのコーティング内およびすべてのコーティングの平均厚み間でわかった。標準ずれを表３に表す。これらの結果により、ＰＳＧウェハはウェハ表面全体にわたりまた等しい条件下でコーティングされたウェハ同士の間で良好な厚み均一性を持つであることがわかる。例えば、図２５はＶｅｅｃｏ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社の干渉プロファイラで調べた干渉プロファイルを示しており、ＦｉｌｍＴｅｃ（登録商標）分光光度計機器で評価した、ウェハ表面全体にわたって０．０７ミクロンの厚み均一性（厚みの標準ずれ）を測定するのに使ったポイントの位置を表す概略図も一緒に示している。厚み測定のための測定ポイントもまた図２５の下側の図に示す。
原子力顕微鏡法を使った分析により、コーティングされたウェハは表面粗さが小さいことが明らかとなった。Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社のモデルＤｉｍｅｎｓｉｏｎ ３１００をタッピングモードで使った。２０ミクロン×２０ミクロンのＡＦＭ走査を代表的なウェハについて図２６に示す。図２７に示すように、代表的なウェハの断面のＳＥＭ測定値もまたコーティングが完全に固化していることを実証しており、コア内部およびコアとクラッドとのインターフェースに気泡または欠陥は全く観察されなかった。
Figure 2007525592
 同様に、屈折率はウェハ上の層内および異なるウェハ上のガラス層同士の屈折率が高いことを実証した。屈折率はメトリコンプリズム連結器を使い各ウェハ上の９つのポイントで測定した。５枚のコーティングされたウェハのそれぞれにおける平均屈折率を表３に示す。５枚のウェハそれぞれについてウェハ全体にわたる屈折率の標準ずれならびに５枚のウェハについての平均屈折率の標準ずれもまた表３に表す。
本方法によって作成されたコーティングウェハの他の特性は、低い面内損失を提示するという点である。面内損失は、Ｍｅｔｒｉｃｏｎ社のモデル２０１０プリズムカプラを備えた高精度プリズム連結器システムを使って測定した。波長光（６３３ｎｍ、１３００ｎｍ、および１５００ｎｍ）を備えたレーザー源からの光をプリズムによってガラスフィルムに連結し、その後透過した連結光をオイル浴を使って収集する。そして、光の特定の波長用に選択した検出器によって光を収集する。６３３ｎｍの光で代表的なＰＳＧガラス層について〜０．１ｄＢ／ｃｍの値の面内損失が測定された。１５５０ｎｍ光の場合はもっと低い値の面内損失さえも予想される、なぜならフィルムは、６３３ｎｍでは複数モードフィルムであるが１５５０ｎｍでは単一モードのフィルムとなるように選択されているからである。さらに、Ｖｅｅｃｏ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社の干渉プロファイラで測定したところ等しい条件下で形成されたウェハでは干渉パターンがほぼ同じであることから（図２８を参照）ウェハ同士の再現性が高いこともまた実証された。
さらに、高度の厚み均一性を示すコーティングの作成に加えて、本方法はドーパントの濃度を正確に制御することもでき、これはひいてはウェハコーティングの屈折率も正確に制御できることにつながる（図２９を参照のこと）。さらに、図２９はまた本方法が広範囲の値の屈折率を選択可能とすることも示しており、この場合ドーパント濃度はリン前駆体の対応する流速を使うことにより選択される。ドーピングされていないガラスに対しリンガラスについて実現される屈折率の最大変化は約１．２５％である。
実施例２−ゲルマニウムおよびホウ素ドーピングシリコン酸化物光学コーティング
本実施例は、熱的シリコン酸化物コーティングを含むシリコン基板をゲルマニウムおよびホウ素でドーピングされたシリケートガラス（ＧＢＳＧ）でコーティングすることについて説明しており、光反応性蒸着を使って粉体コーティングを形成しこれをその後ガラスに固化する。
光反応性蒸着を使って粒子コーティングを行った、ここでウェハコーティングはウェハを生成物粒子流体を通過させることにより反応チャンバ内で行った。光反応性蒸着装置は本質的に図１１−１６に示すとおりである。５枚の等しいウェハを等しい条件下でＧＢＳＧガラスでコーティングした。
ゲルマニウムおよびホウ素でドーピングされたＳｉＯ2を、熱的酸化物コーティングを持つ直径４インチのシリコンウェハそれぞれに光反応性蒸着によりコーティングした。熱的酸化物でコーティングされたウェハは熱的酸化物コーティングの厚みが１３ミクロンであった。シリコン四塩化物（Ｓｔｒｅｍ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社、Ｎｅｗｂｕｒｙｐｏｒｔ、ＭＡ）前駆体蒸気をフラッシュ蒸発器により反応チャンバ内に導入した。同様に、ＧｅＣｌ4（Ｓｔｒｅｍ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社、Ｎｅｗｂｕｒｙｐｏｒｔ、ＭＡ）をフラッシュ蒸発器から反応チャンバに供給した。ＢＣｌ3（空気生成物）をガスとして規定の流速で供給した。アルゴンガスを希釈／不活性ガスとして反応剤の反応剤の流れに混合し反応を和らげた。Ｃ2Ｈ4ガスをレーザー吸収ガスとして使った。Ｏ2を酸素供給源として使い反応剤と混合した。ＳｉＣｌ4、アルゴン、ＧｅＣｌ4、ＢＣｌ3、およびＣ2Ｈ4を含んだ反応剤ガス混合物を反応剤ガスノズルに導入して反応チャンバに射出した。
実行中、反応剤ノズルを表４に規定する速度で６サイクルまたは１２回、ウェハ上を通過させた。光反応性蒸着によってＧＢＳＧコーティングを生産するための反応条件を表４に記載する。
Figure 2007525592
 コーティング作業の完了後、ウェハはウェハの表面全体にわたって均一で、白色の粉体状コーティングを持って現れた。コーティングの厚みは、走査電子顕微鏡法（ＳＥＭ）で測定してほぼミク５０−７０ミクロンであった。
ウェハを粉体でコーティングした後、表５に規定する条件下で１７１０シリーズボックス炉（ＣＭ Ｆｕｒｎａｃｅｓ社、シリーズ１７１０）でコーティングを固化した。コーティングされたウェハを１３３５℃の炉に挿入し、炉全体にわたって流されているヘリウム雰囲気下で２時間、炉の中に放置した。２時間後、温度を１３３５℃から分当たり１００℃の速度で低くした。５００℃でウェハをオーブンから出した。
Figure 2007525592
 オーブンから取り出した後、ウェハ表面を透明ガラスでコーティングした。ガラス層は５枚のウェハについて平均厚みが５．０５８ミクロンであった。厚みの標準ずれはそれぞれのコーティング内およびすべてのコーティングの平均厚み間でわかった。標準ずれを表６に表す。これらの結果により、ＰＳＧウェハはウェハ表面全体にわたりまた等しい条件下でコーティングされたウェハ同士の間で良好な厚み均一性を持つであることがわかる。
原子力顕微鏡法（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社のモデル３１００）での分析により、コーティングされたウェハは表面粗さが小さいことが明らかとなった。ＧＢＳＧコーティングを備えた代表的なウェハについて２０ミクロン×２０ミクロンのＡＦＭ走査を図３０に示す。図３１に示すように、断面のＳＥＭ測定値もまたコーティングが完全に固化していることを実証しており、コア内部およびコアとクラッドとのインターフェースに気泡または欠陥は全く観察されなかった。
Figure 2007525592
 同様に、屈折率はウェハ上の層内および異なるウェハ上のガラス層同士の屈折率が高いことを実証した。測定は実施例で説明したとおり実施した。５枚のコーティングされたウェハのそれぞれにおける平均屈折率を表６に示す。５枚のウェハそれぞれについてウェハ全体にわたる屈折率の標準ずれならびに５枚のウェハについての平均屈折率の標準ずれもまた表６に表す。
厚みが均一なコーティングの作成に加えて、本方法はドーパントの濃度を正確に制御することもでき、これはひいてはウェハコーティングの屈折率も正確に制御できることにつながる（図３２を参照のこと）。さらに、図３２はまた本方法が広範囲の値の屈折率を可能とすることも示している。ＧＢＳＧウェハについて実現される屈折率の最大変化は約２．９７％である。図３３は複数のドーパントＧＢＳＧコーティングの場合の屈折率の予想されるモデル計算図も含んでいる。
本願で使うように、「の（単数または複数の）範囲の」または「ととの間」という用語は「の（単数または複数の）範囲の」または「ととの間」という用語の後に挙げられている値、ならびにかかる範囲内に含まれるどのようなまたすべてのサブ範囲によって定義されている範囲を含んでおり、この場合、それぞれのかかるサブ範囲は第１の端点としてかかる範囲内のどのような値も持ち、第２の端点としてかかる範囲内で第１の端点よりも大きなどのような値も持ちその値もかかる範囲内に含まれるものとして定義される。
上述の実施態様は例示的であり限定的ではないことを意図している。さらなる実施態様は以下の特許請求の範囲内である。本発明を特定の実施態様に関して説明してきたが、当該分野の就業者であれば本発明の精神および範囲から逸脱することなく形態および詳細に変更を加えられることを認識するであろう。さらに、本願で使う、含む、備える、および持つという用語は広範囲の非限定的な意味を持つことを意図する。
高い生産速度で粉体のレーザー熱分解合成を行うための反応チャンバの側面斜視図である。 蒸気／ガス反応剤を図１のレーザー熱分解反応器のような流動反応システムへと送達するための反応剤送達システムの概略図である。 エアゾールおよびガス／蒸気組成物を反応チャンバへと送達するためのエアゾール発生器を持つ反応剤注入ノズルの断側面図であり、挿入図の線３−３に沿って断面図が取られている。挿入図は細長い反応剤注入口の上面図を示している 図３の挿入図の線４−４に沿った図３の反応剤注入口ノズルの断側面図である。 導管を介して別のコーティングチャンバに接続されている粒子生産装置で形成された光反応性蒸着装置の概略図である。 コーティングチャンバの斜視図であり、チャンバの壁が透明になっていて内部構成部材を見ることができるようになっている。 回転ステージに搭載されている基板に向けられている粒子ノズルの斜視図である。 光反応性蒸着装置の斜視図であり、粒子生産チャンバ内で粒子コーティングが基板に塗布されている。 基板付近に配置された反応区域に反応剤を送達している反応剤ノズルの斜視図である。 線１０−１０に沿った図９の装置の断面図である。 光反応性蒸着装置の１つの実施態様の斜視図である。 図１１の装置の反応剤送達システムの概略図である。 図１１の装置の反応チャンバの拡大図である。 図１３の線１４−１４に沿った図１３の反応チャンバの断面図である。 ウェハホルダ部分が取りはずされバッフルシステムが目視可能な状態の、図１３の反応チャンバの他の断面図である。 ウェハホルダの上面図である。 ウェハの断面が図１６の線１７−１７に沿って取られている図１６のウェハホルダの断面図である。 図１３の反応チャンバの反応剤注入ノズルの上面図である。 デュアルリニアマニピュレータの斜視図であり、図１３の反応チャンバのノズルの駆動システムの一部であり、デュアルリニアマニピュレータは別々に目視できるよう反応チャンバとは別にされている。 一部がマスクで覆われた粉体コーティングを持つ基板の上面図である。 光学層を持つ構造体の側面図である。 光学回路の斜視図である。 図２２の線２３−２３に沿った光学回路の断面図である。 光学増幅器の側面図である。 リン酸塩でドーピングされたシリカガラスでコーティングされたウェハ表面の分光光度測定であり、下側の図面は厚みの測定が行われた９つのポイントを示している。 本願で説明する方法によって形成されたリン酸塩ドーピングシリカガラスの２０ミクロン×２０ミクロンにわたる原子力顕微鏡走査である。 リン酸塩でドーピングされたシリカガラスでコーティングされた基板の断面図の走査電子顕微鏡である。 本願で説明した技術を使って等しいコーティング条件下でリン酸塩ドーピングシリカガラスでコーティングされた２枚のウェハから測定された干渉パターンである。 異なるレベルのリン酸塩でドーピングされたシリカガラスの屈折率（線）の予想値と比較した、測定屈折率（点）の作図である。 ゲルマニウムおよびホウ素でドーピングされたシリカガラスの２０ミクロン×２０ミクロン部分にわたる原子力顕微鏡走査である。 ゲルマニウムおよびホウ素でドーピングされたシリカガラスでコーティングされた基板の断面の走査電子顕微鏡である。 モデル計算見積もりと比較したゲルマニウム酸化物濃度の関数としてのゲルマニウムおよびホウ素でドーピングされたシリカガラスの屈折率の作図である。 シリカガラスのゲルマニウムおよびホウ素ドーパント濃度の関数としてモデル計算から得られた屈折率の作図である。

Claims (68)

  1. 第１のコーティングを持つ基板上に光学コーティングを形成するための方法であって、該方法は生成物流体から前記第１のコーティング上に粉体コーティングを蒸着する工程を備えており、前記生成物の流体は流体中での化学反応から得られたものであり、前記粉体は適切な条件下で光学コーティングに固化し、前記光学コーティングおよび前記第１のコーティングは、固化後、屈折率の差が少なくとも約１％であることを特徴とする方法。
  2. 前記光学コーティングおよび前記第１のコーティングは、固化後、屈折率の差が少なくとも約１．５％であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  3. 前記光学コーティングおよび前記第１のコーティングは、固化後、屈折率の差が少なくとも約２％であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  4. 前記粉体コーティングはシリカガラスを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  5. 前記シリカガラスはリンでドーピングされていることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
  6. 前記シリカガラスはゲルマニウムでドーピングされていることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
  7. 前記粉体コーティングは平均的な一次粒子サイズがわずか約５００ナノメートルであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  8. 前記粉体コーティングは平均的な一次粒子サイズがわずか約１００ナノメートルであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  9. 前記粉体コーティングは直径が平均直径の約１０倍と同じくらいの一次粒子を事実上持たないことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  10. 前記第１のコーティングは固化の前に粉体コーティングを含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  11. 前記第１のコーティングは固化の前に固化ガラスを含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  12. 前記化学反応は放射ビームからのエネルギーによって引き起こされることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  13. 前記放射ビームはレーザーによって生み出されることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記蒸着は反応チャンバ内で行われることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  15. 前記基板は表面積が少なくとも約２５平方センチメートルであり、前記方法は生成物流体から前記第１のコーティング上にわずか約３０分で少なくとも約１００ｎｍの厚みに粉体コーティングを蒸着する工程を備えることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  16. 前記粉体コーティングは時間当たり少なくとも約５グラムの速度で蒸着されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  17. 前記粉体コーティングは時間当たり少なくとも約１０グラムの速度で蒸着されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  18. 前記生成物流体は１つ以上のノズルから生成された反応剤の流れから得られるものであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  19. 前記反応剤の流れは蒸気反応剤を含むことを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
  20. 前記反応剤の流れはエアゾール反応剤を含むことを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
  21. 前記反応剤の流れは蒸気反応剤およびエアゾール反応剤の両方を含むことを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
  22. 基板上に光学コーティングを形成するための方法であって、該方法は生成物流体から前記基板上に粉体コーティングを蒸着する工程を備えており、前記生成物の流体は流体中での化学反応から得られたものであり、前記粉体は適切な条件下で光学コーティングに固化し、この光学コーティングは縁部を１センチメートル除く基板全体にわたる厚みの標準的なずれが約０．５ミクロン未満であることを特徴とする方法。
  23. 前記光学コーティングは基板全体にわたる厚みの標準的なずれが約０．３５ミクロン未満であることを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
  24. 前記コーティングは基板全体にわたる厚みの標準的なずれが約０．１５ミクロンから約０．２５ミクロンであることを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
  25. 前記粉体コーティングはシリカを含んでいることを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
  26. 前記化学反応は放射ビームからのエネルギーによって引き起こされることを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
  27. 前記基板は表面積が少なくとも約２５平方センチメートルであり、前記方法は生成物流体から基板上にわずか約３０分で少なくとも１００ｎｍの厚みにコーティングを蒸着する工程を備えていることを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
  28. 前記粉体コーティングは時間当たり少なくとも約５グラムの速度で蒸着されることを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
  29. 複数の基板上に光学コーティングを形成するための方法であって、該方法は生成物流体から前記複数の基板のそれぞれの上に粉体コーティングを蒸着する工程を備えており、前記生成物の流体は流体中での化学反応から得られたものであり、前記粉体は適切な条件下でそれぞれの基板上で光学コーティングに固化し、前記複数の基板同士の光学コーティングの平均厚みの標準的なずれは縁部を２センチメートル除いた状態でわずか約０．１ミクロンであることを特徴とする方法。
  30. 前記複数の基板は少なくとも５枚の基板からなることを特徴とする、請求項２９に記載の方法。
  31. 前記複数の基板同士の光学コーティングの平均厚みの標準的なずれは縁部を２センチメートル除いてわずか約０．０８ミクロンであることを特徴とする、請求項２９に記載の方法。
  32. 前記複数の基板同士の光学コーティングの平均厚みの標準的なずれは縁部を２センチメートル除いて約０．０４ミクロンから約０．０６ミクロンであることを特徴とする、請求項２９に記載の方法。
  33. 前記粉体コーティングはシリカを含んでいることを特徴とする、請求項２９に記載の方法。
  34. 前記化学反応は放射ビームからのエネルギーによって引き起こされることを特徴とする、請求項２９に記載の方法。
  35. 前記粉体コーティングはわずか約３０分で少なくとも約１００ｎｍの厚みに蒸着されることを特徴とする、請求項２９に記載の方法。
  36. 前記粉体コーティングは時間当たり少なくとも約５グラムの速度で蒸着されることを特徴とする、請求項２９に記載の方法。
  37. それぞれの基板は表面積が少なくとも約２５平方センチメートルであることを特徴とする、請求項２９に記載の方法。
  38. 複数の基板上に光学コーティングを形成するための方法であって、該方法は生成物流体から前記複数の基板のそれぞれの上に粉体コーティングを蒸着する工程を備えており、前記生成物の流体は流体中での化学反応から得られたものであり、それぞれの基板上の前記光学コーティングは、前記基板上の前記光学コーティング同士のそれぞれの基板についての平均屈折率の標準的なずれが縁部を１センチメートル除いた状態でわずか約０．００１ミクロンであることを特徴とする方法。
  39. 前記複数の基板は少なくとも約５枚の基板からなることを特徴とする、請求項３８に記載の方法。
  40. 前記それぞれの基板上の前記光学コーティングは、前記基板上の前記光学コーティング同士のそれぞれの基板についての平均屈折率の標準ずれがわずか約０．０００６であることを特徴とする、請求項３８に記載の方法。
  41. 前記それぞれの基板上の前記光学コーティングは、前記基板上の前記光学コーティング同士のそれぞれの基板についての平均屈折率の標準ずれが約０．００００５から約０．０００４の間であることを特徴とする、請求項３８に記載の方法。
  42. 前記粉体コーティングはシリカを含んでいることを特徴とする、請求項３８に記載の方法。
  43. 前記化学反応は放射ビームからのエネルギーによって引き起こされることを特徴とする、請求項３８に記載の方法。
  44. 前記粉体コーティングはわずか約３０分で少なくとも約１００ｎｍの厚みで蒸着されることを特徴とする、請求項３８に記載の方法。
  45. 前記粉体コーティングは時間当たり少なくとも約５グラムの速度で蒸着されることを特徴とする、請求項３８に記載の方法。
  46. それぞれの基板は表面積が少なくとも約２５平方センチメートルであることを特徴とする、請求項３８に記載の方法。
  47. 基板上に光学コーティングを形成するための方法であって、該方法は生成物流体から前記基板上に粉体コーティングを蒸着する工程を備えており、前記生成物の流体は流体中での化学反応から得られたものであり、前記粉体は適切な条件下で光学コーティングに固化し、この光学コーティングは縁部を１センチメートル除く基板全体にわたる屈折率の標準的なずれが約０．００１未満であることを特徴とする方法。
  48. 前記光学コーティングは基板全体にわたる屈折率の標準的なずれがわずか約０．０００８であることを特徴とする、請求項４７に記載の方法。
  49. 前記コーティングは基板全体にわたる屈折率の標準的なずれが約０．０００１から約０．０００６であることを特徴とする、請求項４７に記載の方法。
  50. 前記粉体コーティングはシリカを含んでいることを特徴とする、請求項４７に記載の方法。
  51. 前記化学反応は放射ビームからのエネルギーによって引き起こされることを特徴とする、請求項４７に記載の方法。
  52. 前記基板は表面積が少なくとも約２５平方センチメートルであり、前記方法は生成物流体から前記第１のコーティング上にわずか約３０分で少なくとも約１００ｎｍの厚みに粉体コーティングを蒸着する工程を備えることを特徴とする、請求項４７に記載の方法。
  53. 前記粉体コーティングは時間当たり少なくとも約５グラムの速度で蒸着されることを特徴とする、請求項４７に記載の方法。
  54. 基板上に光学コーティングを形成するための方法であって、該方法は生成物流体から前記基板上に粉体コーティングを蒸着する工程を備えており、前記生成物の流体は流体中での化学反応から得られたものであり、前記粉体コーティングは適切な条件下で光学コーティングに固化し、前記光学コーティングは少なくとも約８重量パーセントのリン酸塩（Ｐ2Ｏ5）を含むシリケートガラスからなることを特徴とする方法。
  55. 前記光学コーティングは少なくとも約１０重量パーセントのリン酸塩（Ｐ2Ｏ5）を含むシリケートガラスからなることを特徴とする、請求項５４に記載の方法。
  56. 前記光学コーティングは約１２重量パーセントから約１５重量パーセントのリン酸塩（Ｐ2Ｏ5）を含むシリケートガラスからなることを特徴とする、請求項５４に記載の方法。
  57. 前記粉体コーティングはシリカを含んでいることを特徴とする、請求項５４に記載の方法。
  58. 前記化学反応は放射ビームからのエネルギーによって引き起こされることを特徴とする、請求項５４に記載の方法。
  59. 前記粉体コーティングはわずか約３０分で少なくとも約１００ｎｍの厚みに蒸着されることを特徴とする、請求項５４に記載の方法。
  60. 前記粉体コーティングは時間当たり少なくとも約５グラムの速度で蒸着されることを特徴とする、請求項５４に記載の方法。
  61. 基板上に光学コーティングを形成するための方法であって、該方法は生成物流体から前記基板上に粉体コーティングを蒸着する工程を備えており、前記生成物の流体は流体中での化学反応から得られたものであり、前記粉体コーティングは少なくとも約２０重量パーセントのゲルマニウム酸化物（ＧｅＯ2）を含むシリケートガラスからなることを特徴とする方法。
  62. 前記光学コーティングは少なくとも約２５重量パーセントのゲルマニウム酸化物（ＧｅＯ2）を含むシリケートガラスからなることを特徴とする、請求項６１に記載の方法。
  63. 前記光学コーティングは約３０重量パーセントから約３５重量パーセントのゲルマニウム酸化物（ＧｅＯ2）を含むシリケートガラスからなることを特徴とする、請求項６１に記載の方法。
  64. 前記粉体コーティングはシリカを含んでいることを特徴とする、請求項６１に記載の方法。
  65. 前記化学反応は放射ビームからのエネルギーによって引き起こされることを特徴とする、請求項６１に記載の方法。
  66. 前記シリケートガラスは約１重量パーセントから約５重量パーセントのＢ2Ｏ3をさらに含んでいることを特徴とする、請求項６１に記載の方法。
  67. 記粉体コーティングはわずか約３０分で少なくとも約１００ｎｍの厚みに蒸着されることを特徴とする、請求項６１に記載の方法。
  68. 前記粉体コーティングは時間当たり少なくとも約５グラムの速度で蒸着されることを特徴とする、請求項６１に記載の方法。
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