JP2766562B2 - Metal film protective film - Google Patents

Metal film protective film

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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、金属表面プラズモンを
利用するセンサー、光学部品等の素子において、金属表
面プラズモンを発生させるために用いる金属膜の酸化を
防止する保護膜に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a protective film for preventing oxidation of a metal film used for generating a metal surface plasmon in an element such as a sensor or an optical component utilizing the metal surface plasmon.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、金属表面プラズモンは、その高電
場効果や基板の屈折率変化による伝搬条件変化の感度が
高いことから、電気光学効果、非線形光学効果を応用し
た光学デバイスあるいは、温度計測などのセンサー、物
質の屈折率測定などに提案され、一部利用されてきた。
2. Description of the Related Art Conventionally, metal surface plasmons have a high electric field effect and high sensitivity to changes in propagation conditions due to changes in the refractive index of a substrate. It has been proposed and used for some sensors and refractive index measurement of substances.

【0003】金属表面プラズモンの発生に効果がある金
属としては、銀、銅、アルミニウムおよび金等が知られ
ているが、これらのうちでも特に、銀は高電場効果が大
きく伝搬ロスが少なく、最も有効に金属表面プラズモン
を励起することができる。
[0003] Silver, copper, aluminum, gold and the like are known as metals effective in generating metal surface plasmons. Among them, silver is particularly effective because of its high electric field effect and small propagation loss. It is possible to effectively excite metal surface plasmons.

【0004】以下、従来の金属表面プラズモンの利用の
例である第2高調波光発生素子について、図を参照し
て説明する。
[0004] Hereinafter, a second harmonic light generating element is an example of the use of the conventional metal surface plasmons is described with reference to FIG.

【0005】図は、金属表面プラズモンを利用した、
第2高調波光発生素子の構造図であり、非線形光学特性
を有するニオブ酸リチウム基板16上に、膜厚が200
Åである銀薄膜15、膜厚が2μmである窒化アルミニ
ウム膜13が順次形成されている。この図の構造の素
子の窒化アルミニウム膜13上に、波数を調整するため
のプリズム12を配置し、金属表面プラズモンを発生さ
せるための基本波レーザー光11を照射して、銀薄膜1
5において金属表面プラズモンを励起することにより、
第2高調波光17を発生することができる。
[0005] FIG. 5 is a diagram showing the use of metal surface plasmons.
FIG. 3 is a structural diagram of a second harmonic light generating element, in which a film thickness of 200 is formed on a lithium niobate substrate 16 having nonlinear optical characteristics.
A silver thin film 15 having a Å and an aluminum nitride film 13 having a thickness of 2 μm are sequentially formed. A prism 12 for adjusting the wave number is arranged on the aluminum nitride film 13 of the device having the structure shown in FIG. 5 , and a fundamental wave laser beam 11 for generating a metal surface plasmon is irradiated to the silver thin film 1.
By exciting the metal surface plasmon at 5,
Second harmonic light 17 can be generated.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、銀、銅
およびアルミニウムは、一般に酸化のため屈折率特性が
悪化し易く、これらの金属膜上に酸化物からなる誘電体
膜を作製する場合には、金属膜の酸化のため、金属表面
プラズモンを励起することができなくなってしまうとい
う問題が生じる。一方、金属膜の両界面の屈折率を同じ
にすればより高効率に金属表面プラズモンを発生するこ
とができ、例えば、従来の技術に記載の金属表面プラズ
モンの利用の例である第2高調波光発生素子において、
の構造でニオブ酸リチウム基板16より屈折率の値
が小さい窒化アルミニウム13の代わりに、ニオブ酸リ
チウム基板16と同じ屈折率の値を有する酸化物誘電体
を用いれば、強度のより大きい第2高調波光の発生が期
待できるが、実際には銀薄膜15が酸化してしまい、金
属表面プラズモンを励起することができず、第2高調波
光17を発生することができなかった。このように、他
の誘電体よりも優れた特性を有する酸化物誘電体が存在
しても用いることができず、光学薄膜の設計上多くの制
約をもたらした。
However, silver, copper and aluminum are generally liable to deteriorate in refractive index characteristics due to oxidation, and when a dielectric film made of an oxide is formed on these metal films, Due to the oxidation of the metal film, there arises a problem that the metal surface plasmon cannot be excited. On the other hand, if the refractive indices at both interfaces of the metal film are made the same, it is possible to generate metal surface plasmons with higher efficiency. In the generating element,
Instead of the refractive index value is less aluminum nitride 13 from the structure of lithium niobate substrate 16 in FIG. 5, the use of the oxide dielectric having the same value of refractive index between the lithium niobate substrate 16, is greater than the strength first Although the generation of second harmonic light can be expected, the silver thin film 15 was actually oxidized, and the metal surface plasmon could not be excited, and the second harmonic light 17 could not be generated. As described above, even if an oxide dielectric having characteristics superior to those of other dielectrics is present, it cannot be used, and many restrictions have been placed on the design of the optical thin film.

【0007】また、金属表面をその金属を侵さない誘電
体で覆うことにより、金属膜の酸化を防ぐことが予想さ
れるが、金属表面プラズモンは界面近傍を伝搬する電磁
波であることから、界面を構成している誘電体の屈折率
により大きく影響を受けるものであり、電気光学効果あ
るいは非線形光学効果を利用した光学素子の場合には、
金属界面と誘電体界面との間に他の誘電体膜を介在させ
ると、高電場効果が有効に発生しないものと考えられて
いた。
Further, it is expected that the metal surface is covered with a dielectric material that does not attack the metal, thereby preventing the metal film from being oxidized. It is greatly affected by the refractive index of the constituting dielectric, and in the case of an optical element utilizing the electro-optic effect or the nonlinear optical effect,
It was thought that if another dielectric film was interposed between the metal interface and the dielectric interface, the high electric field effect would not be effectively generated.

【0008】本発明は、上記事情に鑑み、酸化物誘電体
による金属膜の酸化のために生じる特性劣化を防ぎ、か
つ有効に金属表面プラズモンを発生することができる金
属膜の保護膜の提供を目的とする。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a protective film for a metal film that can prevent characteristic deterioration caused by oxidation of the metal film by an oxide dielectric and can effectively generate metal surface plasmons. Aim.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、金属表面プラズモンを発生させるために用いる金属
膜上に酸化物からなる誘電体膜が形成される素子におい
て、前記金属膜と前記該誘電体膜との間に窒化物薄膜を
保護膜として形成する。
In order to solve the above-mentioned problems, an element in which a dielectric film made of an oxide is formed on a metal film used for generating a metal surface plasmon is provided. A nitride thin film is formed as a protective film between itself and the body film.

【0010】[0010]

【作用】本発明によれば、酸化物誘電体膜と接する、金
属表面プラズモンを発生させるために用いる金属膜の表
面に、窒化物薄膜を保護膜として採用することにより、
酸化物誘電体による金属膜の酸化のために生じる特性劣
化を防ぎ、かつ有効に金属表面プラズモンを発生させる
ことが可能になる。
According to the present invention, by adopting a nitride thin film as a protective film on the surface of a metal film used for generating metal surface plasmon, which is in contact with an oxide dielectric film,
It is possible to prevent characteristic deterioration caused by oxidation of the metal film by the oxide dielectric and to effectively generate metal surface plasmons.

【0011】[0011]

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0012】図1は、金属表面プラズモンを利用した、
第2高調波光発生素子の構造図である。図1において、
1は金属表面プラズモンを発生させるための基本波レー
ザー光、2は波数を調整するためのプリズム、3は誘電
体薄膜である酸化タンタル膜、4は金属膜を保護するた
めの窒化物薄膜、5は金属膜、6は非線形光学結晶であ
るニオブ酸リチウム基板、7は発生した第2高調波光で
ある。
FIG. 1 shows a method using metal surface plasmons.
FIG. 3 is a structural diagram of a second harmonic light generation element. In FIG.
1 is a fundamental wave laser beam for generating metal surface plasmon, 2 is a prism for adjusting the wave number, 3 is a tantalum oxide film as a dielectric thin film, 4 is a nitride thin film for protecting the metal film, 5 Is a metal film, 6 is a lithium niobate substrate which is a nonlinear optical crystal, and 7 is generated second harmonic light.

【0013】非線形光学特性を有するニオブ酸リチウム
基板6上には、膜厚が200Åである金属膜5をスパッ
タ法により作製し、その上部に酸化を防止するための窒
化物薄膜4を同様にスパッタ法により形成し、さらにそ
の上部に膜厚が2μmである酸化タンタル膜3を同様に
スパッタ法により作製して、酸化タンタル膜3上に、プ
リズム2を配置した。ここで、窒化物薄膜4として窒化
アルミニウム膜、窒化ケイ素膜、窒化インジウム膜を用
い、また、金属膜5として銀、銅、アルミニウムを用い
た。
On a lithium niobate substrate 6 having nonlinear optical characteristics, a metal film 5 having a thickness of 200.degree. Is formed by sputtering, and a nitride thin film 4 for preventing oxidation is similarly formed on the metal film 5 by sputtering. A tantalum oxide film 3 having a thickness of 2 μm was formed on the tantalum oxide film 3 by the sputtering method, and the prism 2 was disposed on the tantalum oxide film 3. Here, an aluminum nitride film, a silicon nitride film, and an indium nitride film were used as the nitride thin film 4, and silver, copper, and aluminum were used as the metal film 5.

【0014】上記構造の第2高調波光発生素子におい
て、基本波レーザ光1を照射して、金属膜5において金
属表面プラズモンを励起することにより、第2高調波光
7を発生することができた。この第2高調波光発生素子
の金属膜5の金属表面プラズモンの発生が理論と一致し
たことから、金属膜5は、酸化タンタル膜3を作製する
際に酸化されず、屈折率が変化していないことがわかっ
た。
In the second harmonic light generating element having the above structure, the second harmonic light 7 can be generated by irradiating the fundamental laser light 1 to excite metal surface plasmons in the metal film 5. Since the generation of the metal surface plasmon of the metal film 5 of the second harmonic light generating element coincided with the theory, the metal film 5 was not oxidized when the tantalum oxide film 3 was manufactured, and the refractive index did not change. I understand.

【0015】図2は、図1の構造の素子において、保護
膜である窒化物薄膜4として窒化アルミニウム膜を用
い、この膜厚を変化させたときの第2高調波光の強度を
測定した結果を示したグラフである。図3は、図1の構
造の素子において、保護膜である窒化物薄膜4として窒
化ケイ素膜を用い、この膜厚を変化させたときの第2高
調波光の強度を測定した結果を示したグラフである。図
4は、図1の構造の素子において、保護膜である窒化物
薄膜4として窒化インジウム膜を用い、この膜厚を変化
させたときの第2高調波光の強度を測定した結果を示し
たグラフである。
FIG. 2 shows the results of measuring the intensity of the second harmonic light when the aluminum nitride film is used as the protective thin film 4 and the film thickness is changed in the device having the structure shown in FIG. It is a graph shown. FIG. 3 is a graph showing the results of measuring the intensity of the second harmonic light when the silicon nitride film was used as the nitride thin film 4 as the protective film in the device having the structure shown in FIG. 1 and the film thickness was changed. It is. FIG. 4 is a graph showing the results of measuring the intensity of the second harmonic light when the indium nitride film is used as the nitride thin film 4 serving as a protective film and the film thickness is changed in the device having the structure shown in FIG. It is.

【0016】図2および図3の結果より、窒化アルミニ
ウムあるいは窒化ケイ素の窒化物薄膜を用いた場合、金
属膜5として用いた銀、銅、アルミニウムのいずれで
も、窒化物薄膜の膜厚が100Å以上であれば金属膜5
の酸化を充分に防止でき、また、膜厚が250Å程度ま
でにおいては、金属膜のみの場合の金属表面プラズモン
の発生の理論的な予測とほぼ変わらず、金属表面プラズ
モンの発生に影響を与えないことが判った。また、図4
の結果より、窒化インジウムの窒化物薄膜を用いた場
合、金属膜5として用いた銀、銅、アルミニウムのいず
れでも、窒化物薄膜の膜厚が100Å以上であれば金属
膜5の酸化を充分に防止でき、また、膜厚が1000Å
程度までにおいては、金属膜のみの場合の金属表面プラ
ズモンの発生の理論的な予測とほぼ変わらず、金属表面
プラズモンの発生に影響を与えないことが判った。
2 and 3 that when using a nitride thin film of aluminum nitride or silicon nitride, the thickness of the nitride thin film is not less than 100 ° in any of silver, copper and aluminum used as the metal film 5. If so, metal film 5
Can be sufficiently prevented, and when the film thickness is up to about 250 °, there is almost no difference from the theoretical prediction of the occurrence of metal surface plasmons in the case of a metal film alone, and does not affect the occurrence of metal surface plasmons. It turns out. FIG.
According to the results, when the nitride thin film of indium nitride was used, any of silver, copper, and aluminum used as the metal film 5 could sufficiently oxidize the metal film 5 if the thickness of the nitride thin film was 100 ° or more. Can be prevented, and the film thickness is 1000 mm
To the extent, it was found that there was almost no difference from the theoretical prediction of the generation of metal surface plasmons when only the metal film was used, and that the generation of metal surface plasmons was not affected.

【0017】窒化物薄膜としては、これらの他に窒化ホ
ウ素、窒化ガリウム等の窒化物薄膜でも、同様の効果を
有することは明らかである。
It is apparent that other similar nitride thin films such as boron nitride and gallium nitride have similar effects.

【0018】なお、上記実施例は、本発明の金属膜の保
護膜を第2高調波光を発生する第2高調波光発生素子に
適用した例を示したが、金属表面プラズモンを発生させ
るために用いる金属膜上に酸化物からなる誘電体膜が形
成される素子、例えば金属表面プラズモンを利用するセ
ンサー、光学部品等の素子に適用できることは勿論であ
る。
In the above embodiment, an example is shown in which the protective film of the metal film of the present invention is applied to the second harmonic light generating element for generating the second harmonic light, but it is used for generating metal surface plasmon. Of course, the present invention can be applied to an element in which a dielectric film made of an oxide is formed on a metal film, for example, an element such as a sensor or an optical component using metal surface plasmon.

【0019】[0019]

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、酸化物
誘電体による金属膜の酸化を防ぎ、かつ金属表面プラズ
モンの高電場効果及び屈折率依存性の高い金属表面プラ
ズモンの伝搬に影響を与えることが少ない保護膜を得る
ことができ、光学薄膜の設計上の制約の多くを解消し、
金属表面プラズモンを利用する高性能なセンサー、光学
部品等の作製が可能となる。
As described above, according to the present invention, the oxidation of the metal film by the oxide dielectric is prevented, and the high electric field effect of the metal surface plasmon and the propagation of the metal surface plasmon highly dependent on the refractive index are affected. Can be obtained, and many of the restrictions on the design of the optical thin film can be eliminated.
High-performance sensors and optical components using metal surface plasmons can be manufactured.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例である金属表面プラズモンを
利用した第2高調波光発生素子の構造図である。
FIG. 1 is a structural diagram of a second harmonic light generating element using metal surface plasmons according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1の構造の素子において、保護膜である窒化
物薄膜4として窒化アルミニウム膜を用い、この膜厚を
変化させたときの第2高調波光の強度を測定した結果を
示したグラフである。
FIG. 2 is a graph showing the results of measuring the intensity of second harmonic light when the aluminum nitride film is used as the protective thin film 4 and the film thickness is changed in the device having the structure shown in FIG. It is.

【図3】図1の構造の素子において、保護膜である窒化
物薄膜4として窒化ケイ素膜を用い、この膜厚を変化さ
せたときの第2高調波光の強度を測定した結果を示した
グラフである。
3 is a graph showing the results of measuring the intensity of the second harmonic light when the silicon nitride film is used as the protective thin film 4 and the film thickness is changed in the device having the structure shown in FIG. It is.

【図4】図1の構造の素子において、保護膜である窒化
物薄膜4として窒化インジウム膜を用い、この膜厚を変
化させたときの第2高調波光の強度を測定した結果を示
したグラフである。
FIG. 4 is a graph showing the results of measuring the intensity of second harmonic light when the thickness of the indium nitride film is changed in the device having the structure of FIG. 1 when an indium nitride film is used as the nitride thin film 4 as a protective film. It is.

【図5】従来技術における金属表面プラズモンを利用し
た第2高調波光発生素子の構造図である。
FIG. 5 is a structural diagram of a second harmonic light generating element using metal surface plasmons in a conventional technique.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,11 基本波レーザー光 2,12 プリズム 3 酸化タンタル膜 4 窒化物薄膜 5,15 金属膜 6,16 ニオブ酸リチウム基板 7,17 第2高調波光 13 窒化アルミニウム膜 Reference Signs List 1,11 fundamental wave laser beam 2,12 prism 3 tantalum oxide film 4 nitride thin film 5,15 metal film 6,16 lithium niobate substrate 7,17 second harmonic light 13 aluminum nitride film

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 金属表面プラズモンを発生させるために
用いる金属膜上に酸化物からなる誘電体膜が形成される
素子における金属膜の保護膜であって、前記金属膜と前
記誘電体膜との間に形成され、窒化物からなることを特
徴とする金属膜の保護膜。
1. A protection film for a metal film in an element in which a dielectric film made of an oxide is formed on a metal film used for generating metal surface plasmon, wherein the protection film is formed of a metal film and the dielectric film. A protective film of a metal film formed between and formed of nitride.
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