WO2006086806A1 - Transparenter körper mit einer ultradünnen metallschicht zur impendanzadaption und unterdrückung von reflexen sowie verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Transparenter körper mit einer ultradünnen metallschicht zur impendanzadaption und unterdrückung von reflexen sowie verfahren zu dessen herstellung Download PDF

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WO2006086806A1
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reflection coating
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reflection
coating
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Juraj Darmo
Josef KRÖLL
Karl Unterrainer
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Technische Universität Wien
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    • G02B17/086—Catadioptric systems comprising a refractive element with a reflective surface, the reflection taking place inside the element, e.g. Mangin mirrors wherein the system is made of a single block of optical material, e.g. solid catadioptric systems

Definitions

  • the invention relates to an electromagnetic wave penetrable body having an anti-reflection coating for the electromagnetic waves, in particular a body intended for use in optics and a method for producing such a body.
  • the developments in the field of optics have made great progress in recent years.
  • the methods for measuring optical properties and identifying materials allow more and more accurate analyzes ranging from microwaves to X-rays.
  • the developments of time-resolved measurement methods additionally allow the operation and dynamics of e.g. to observe chemical and physical reactions.
  • the THz-TDS (XC Zhang, et al., "Terahertz transceivers and methods for emission and detection of terahertz pulses using transceivers," US patent 6844552, 2005; PY Han, et al. A Direct Comparison between Terahertz Time-Domain Spectroscopy and Far-Infrared Fourier Transform Spectroscopy, J. Appl. Physics 89, 2357 (2201)). Due to the large bandwidth and the negligible photon energy in contrast to X-rays, the measuring method is used more and more frequently.
  • the most widely used method of anti-reflection coating on an electromagnetic wave penetrable body is the use of dielectric layers applied to the body, the thickness of which is one quarter of the wavelength of the electromagnetic wave. This causes the incident wave to be partially reflected first at the input interface of the body. The portion that propagates through the anti-reflection layer is also partially reflected at the exit interface of the body. This reflected portion returns exactly half the wavelength on its way through this layer back to the input interface. This causes a Phase rotation by 180 ° relative to the Warreflexion, which is why these shares cancel each other out.
  • the advantage of this method is the ease of preparation of such dielectric layers, e.g. by vapor deposition.
  • the big disadvantage lies in a very narrow range of effect. Since the required layer thickness of the anti-reflection coating is directly coupled to the frequency of the electromagnetic wave, the desired effect occurs only in a very narrow frequency range. In addition, there are also disadvantages for frequencies that are below the visible range. Due to the longer wavelengths, the required layer thickness of the anti-reflection coating also increases. This may result in the electromagnetic wave being unable to penetrate them.
  • Such ⁇ / 4 layers are used for the reflection of spectacles. Due to the disadvantages described above, this is achieved by applying several anti-reflection layers to cover the entire visible area and to obtain no color changes
  • the measured spectrum is correspondingly modulated according to the Fourier theorem.
  • the frequency and strength of this modulation is due to
  • the invention aims to avoid the above-described disadvantages and difficulties and has as its object to provide a body of the type described above, the anti-reflection coating allows it to be effective for electromagnetic waves of different wavelengths, with a single layer for the anti Reflection coating the Aus GmbH is found. In particular, reflections in broadband applications should be avoided.
  • the anti-reflection coating is formed by an ultra-thin and transparent to the electromagnetic waves metal coating.
  • the layer thickness of the antireflection coating is substantially less than ⁇ / 4, where ⁇ is the wavelength of the shortest wave body penetrating electromagnetic wave.
  • the calculation of the layer thickness of the anti-reflection coating is preferably carried out according to the following formula:
  • d is the thickness of the metal layer
  • p (d) the thickness-dependent resistivity of the metal layer, to represent the refractive index step at the optical transition
  • Zo is the wave impedance of free space. The latter is 377 ⁇ and drops out
  • ⁇ 0 is the permittivity and ⁇ Q is the permeability of free space.
  • metals such as chromium, aluminum, titanium or even gold have proved suitable for the anti-reflection coating.
  • the application of the anti-reflection coating, optionally with additional layer, on the body by vapor deposition takes place.
  • the evaporation is advantageously carried out under high vacuum, preferably a minimum vacuum of 10 "8 bar, in particular at a high vacuum of 10" bar.
  • the vapor deposition takes place slowly, i. below 0.1 nm / s, preferably at 0.05 nm / s or below.
  • the dimension of the thickness of the additional layer is determined as follows:
  • FIGS. 5 and 6 are diagrams for determining the layer thickness.
  • the key according to the prior art for an effective anti-reflection coating is always a phase rotation of 180 °, whereby a mutual extinction of the reflected waves is achieved.
  • a completely different effect is used according to the invention.
  • the parameter of the layer thickness is used.
  • the refractive index can be adjusted and also the transparency for electromagnetic waves can be improved.
  • the incident wave 1 is reflected at the input interface 2 with an ultrathin metal layer 3 vapor-deposited on an optical body 4, hereinafter referred to as the main reflection 5. Height and phase of this can be determined by (4).
  • a phase change of the signal occurs at the junctions 2 and 7 of the metallic anti-reflection coating 3 to the adjacent layers 4 and 10. This means that the phase changes after each reflection. 4.
  • the sum of the transmitted and reflected parts of the signal result by superimposing the total transmission and total reflection.
  • the refractive index of the anti-reflection coating 3 the sum of the signals 8 reflected within the anti-reflection coating 3 extinguishes the main reflection 5.
  • the correct layer thickness 11 of the conductive material i. the metal layer 3 and its optical properties depends, for a given material system (dielectric 4 / metallic layer 3 / dielectric 10), the correct layer thickness
  • d is the thickness of the metal layer
  • p (d) the thickness-dependent resistivity of the metal layer
  • the refractive index jump at the optical junction and ZQ the wave impedance of the free space.
  • the latter is 377 ⁇ and can be turned off
  • ⁇ 0 is the permittivity and ⁇ 0 is the permeability of free space. It is about natural constant.
  • the big advantage of this type of anti-reflection coating 3 lies in the frequency independence of the effect.
  • the phase changes around the resulting 180 ° rotation of the resulting reflection are not achieved by propagation within the metal layer 3, but at the boundary surfaces 2 and 7.
  • the properties of the material to be coated i. of the optical body 4 and the metallic coating material used, remain constant or change only slightly, as long as the anti-reflection effect is maintained.
  • the electrically conductive anti-reflection coating 3 a part of the power of the electromagnetic wave 1 is absorbed. For example, for a material system silicon / chromium / air, the reduction is about 55%.
  • An essential advantage of the invention is the fact that the effect utilized for the anti-reflection effect is based on the electrical conductivity of the metallic anti-reflection coating 3 and not on the properties of the body 4 to be coated. Therefore, any electrically non-conductive or weakly conductive body 4 be coated with an ultra-thin metallic anti-reflection coating 3.
  • the material of the anti-reflection coating 3 must satisfy the following conditions:
  • the anti-reflection coating As a good material for the anti-reflection coating 3, e.g. Chrome proven. It fulfills all the above material properties to a high degree. In addition, it forms fast-passing atomic layers (see Fig. 3), and the high resistivity (see Fig. 2) results in the required layers being thicker and hence more easily vapor-deposited with high relative accuracy.
  • the high melting point of chromium allows high temperature application and thereby bombardment of the optical body 4 even with high power lasers.
  • the layer thickness 12 of the anti-reflection coating 3 was selected to be slightly thicker than that given by the formula (2).
  • Such in the frequency domain broadband anti-reflection coating 3 can be used very diverse. So the application ranges from the microwave technology to the infrared for the coating of non-conductive to weakly conductive materials. These include e.g. all semiconducting materials, ceramics, vitreous materials, etc. Specifically, sample substrates, lenses, window materials and other optical components can contribute significantly to improving the quality of measurement through this metal layer 3.
  • the ultrathin metal layers 3, 3 'for reflection suppression have hitherto been used successfully for sample substrates made of silicon (Si) and electro-optical sensors made of gallium phosphide (GaP) for the measurement of pulsed THz radiation (0.1 to 7 THz).
  • FIG. 4 shows the simulated and measured amplitudes of the relative electric field strength of transmission and reflection for the material silicon.
  • the deviations between the simulated and measured values can be explained by the roughness (see Fig. 3) of the chromium layer and the measurement accuracy during the coating process.
  • the basis of the simulation was the measured conductivity for the different layer thicknesses. Mainly the continuous atomic layers contribute to the conductivity. However, the effective conductivity acting on an electromagnetic wave also includes the local accumulations of atoms. This has the effect that with low layer thicknesses an electromagnetic wave feels a higher conductivity and thus the anti-reflection effect is greater than the simulation predicts.
  • the effect works due to simulations and calculations also in the microwave range and also for medium infrared, except that in this frequency range the properties of metals can no longer be regarded as constant and the effect only occurs within a certain bandwidth.
  • ⁇ 0 is the permittivity and ⁇ 0 is the permeability of free space. It is about natural constant.
  • Silicon has a constant refractive index of about 3.4 in the range of 0.2 to 10 THz.
  • the refractive index of air is in good approximation 1. This results in a refractive index jump An at the optical transition of 2.4.
  • the optimal layer thickness should be determined iteratively. This means that a layer thickness is simply assumed and, using an approximation method, for example according to Newton, the final value of the formula (ie the optimum layer thickness) is calculated.
  • FIG. 5 The course of this function for the silicon / chromium / air material system is shown in FIG. 5; it shows the layer thickness error for chromium on silicon as a function of the chromium layer thickness d.
  • the correct layer thickness can be determined directly the optimum layer thickness. In the example of chromium on silicon this is 8.1 in. In this simple way, the correct layer thickness can be determined for each material system. Due to an initial decrease in the conductivity 0.2 nm are added according to the invention, resulting in the final value of 8.3 nm.
  • Another general method for determining the layer thickness of the anti-reflection coating is the following:
  • the above formula can be used in most cases when purely dielectric or ideal materials are to be coated. However, if they are contaminated or poorly conductive materials, the accuracy of the calculation can be improved by applying a general calculation method.
  • the amplitude of the electromagnetic wave of transmission and reflection can be calculated.
  • the calculation takes advantage of the fact that the metal layer is much thinner than the wavelength of the signal. This allows the standard formula for Calculation of geometric series can be applied, which drastically reduces the calculation time. This ultimately leads to the formulas for transmission
  • E R E x - ⁇ r xM + t m - t w - t M - r M2 • - - -
  • t X ⁇ y and r ⁇ j - ⁇ are the complex transmission and reflection coefficients for a transition from material x to y
  • IM is the complex transmission coefficient of the metal layer
  • Ej is the electric field strength of the incident em wave for a given frequency.

Abstract

Ein mit elektromagnetischen Wellen durchdringbarer Körper (4) mit einer Anti-Reflexionsbeschichtung (3, 3’) für die elektromagnetischen Wellen (1), insbesondere ein zur Verwendung in der Optik bestimmter Körper (4) ist zur Wirksamkeit für elektromagnetische Wellen unterschiedlicher Wellenlängen dadurch gekennzeichnet, dass die Anti-Reflexionsbeschichtung (3, 3’) von einer ultradünnen und für die elektromagnetischen Wellen transparenten Metallbeschichtung gebildet ist.

Description

TRANSPARENTER KÖRPER MIT EINER ULTRADÜNNEN METALLSCHICHT ZUR IMPENDANZADAPTION UND UNTERDRÜCKUNG VON REFLEXEN SOWIE VERFAHREN ZU DESSEN HERSTELLUNG
Die Erfindung betrifft einen mit elektromagnetischen Wellen durchdringbaren Körper mit einer Anti-Reflexionsbeschichtung für die elektromagnetischen Wellen, insbesondere einen zur Verwendung in der Optik bestimmten Körper sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Körpers.
Die Entwicklungen im Bereich der Optik haben in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht. Speziell die Verfahren zur Messung optischer Eigenschaften und Identifizierung von Materialien ermöglichen immer genauere Analysen vom Bereich der Mikrowellen bis hin zu Röntgenstrahlen. Besonders die Entwicklungen von zeitaufgelösten Messmethoden ermöglichen zusätzlich, den Ablauf und die Dynamik von z.B. chemischen und physikalischen Reaktionen zu beobachten. Auf diesem Gebiet bietet derzeit die THz-TDS (X.C. Zhang, et al., „Terahertz transceivers and methods for emission and detection of terahertz pulses using such transceivers," U.S: Patent 6844552, 2005.; P.Y. Han, et al., „A Direct Comparison between Terahertz Time-Domain Spectroscopy and Far-Infrared Fourier Transform Spectroscopy," J. Appl. Physics 89, 2357 (2201)) herausragende Eigenschaften. Aufgrund der großen Bandbreite und der im Gegensatz zu Röntgenstrahlung verschwindend kleinen Photonenenergie findet die Messmethode immer öfter Anwendung.
Ein großes Problem stellt aber noch immer das Auftreten von Reflexionen dar. Diese treten bei jedem Übergang auf, bei dem sich die Materialeigenschaften ändern. Normalerweise bewirkt eine solche Reflexion nur eine Abschwächung des Signals, da ein Teil davon in die entgegengesetzte Richtung zur elektromagnetischen Welle reflektiert wird. Trifft aber die reflektierte elektromagnetische Welle wiederum auf einen optischen Übergang, treten Probleme bei der Messung des Hauptsignals auf, da dieses jetzt mit allen Reflexionen gemeinsam detektiert wird.
Die meistbenutzte Methode einer Anti-Reflexionsbeschichtung an einem mit elektromagnetischen Wellen durchdringbaren Körper ist der Einsatz von dielektrischen, auf den Körper aufgebrachten Schichten, deren Dicke ein Viertel der Wellenlänge der elektromagnetischen Welle beträgt. Dies bewirkt, dass die einfallende Welle zuerst am Eingangs-Interface des Körpers teilweise reflektiert wird. Der Anteil, der sich durch die Anti-Reflexionsschicht weiter fortpflanzt, wird ebenfalls am Ausgangs-Interface des Körpers teilweise reflektiert. Dieser reflektierte Anteil legt auf seinem Weg durch diese Schicht zurück zum Eingangs-Interface genau die halbe Wellenlänge zurück. Dies bewirkt eine Phasendrehung um 180° relativ zur Erstreflexion, weshalb sich diese Anteile gegenseitig auslöschen.
Der Vorteil dieser Methode besteht in der einfachen Herstellung solcher dielektrischen Schichten, z.B. durch Aufdampfen. Der große Nachteil liegt aber in einem sehr engen Wirkungsbereich. Da die erforderliche Schichtdicke der Anti-Reflexionsbeschichtung direkt mit der Frequenz der elektromagnetischen Welle gekoppelt ist, kommt es nur in einem sehr schmalen Frequenzbereich zu der gewünschten Wirkung. Zusätzlich ergeben sich auch Nachteile für Frequenzen, die unterhalb des sichtbaren Bereichs liegen. Aufgrund der größeren Wellenlängen erhöht sich auch die erforderliche Schichtdicke der Anti- Reflexionsbeschichtung. Dies führt unter Umständen dazu, dass die elektromagnetische Welle diese nicht mehr durchdringen kann.
Z.B. werden solche λ/4-Schichten zum Entspiegeln von Brillen benützt. Aufgrund der oben beschriebenen Nachteile gelingt dies durch Aufbringen mehrerer Anti-Reflexionsschichten, um den ganzen sichtbaren Bereich abzudecken und keine Farbveränderungen zu erhalten
Obige Lösung für das Problem ist beschränkt auf Wellen nur einer bestimmen Frequenz. Für den Fall von zeitlich kurzen Pulsen ist keine geeignete Problemlösung bekannt. Besonders zeitaufgelöste Messmethoden, wie THz-TDS, machen von einem großen Teil des elektromagnetischen Spektrums Gebrauch. Dabei ist wesentlich, dass großes Augenmerk auf die Qualität der Pulsform gelegt wird, denn je kürzer ein Puls ist, desto breiter ist der Bereich, den der Puls im Spektrum abdeckt, und desto weniger Messungen müssen durchgeführt werden.
Treten nun, hervorgerufen durch Reflexionen, nach dem Hauptpuls weitere Pulse auf, so wird das gemessene Spektrum entsprechend nach dem Fourier-Theorem moduliert. Die Frequenz und Stärke dieser Modulation ergibt sich durch
p(t ) + ]T k, ■ p(t - T1 ) p°™<-τ→™«™ > P(Co)+ J^ k1 ■ P{ω)- ejωT> , (1)
wobei p(t) den Hauptpuls repräsentiert, kt ist die relative Amplitude der Reflexion und T1 ist der Abstand der Reflexion zum Hauptpuls. Dies behindert die Interpretierung der Messdaten, da die für ein Material charakteristischen Absorptionslinien verzerrt werden. Für einwellige bzw. schmalbandige Signale gibt es Wege und Möglichkeiten, diese Reflexionen zu unterdrücken, für Breitbandanwendungen steht jedoch eine erfolgreiche Lösung des Problems noch aus.
Die Erfindung bezweckt die Vermeidung der oben geschilderten Nachteile und Schwierigkeiten und stellt sich die Aufgabe, einen Körper der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, dessen Anti-Reflexionsbeschichtung es ermöglicht, für elektromagnetische Wellen unterschiedlicher Wellenlängen wirksam zu sein, wobei mit einer einzigen Schicht für die Anti-Reflexionsbeschichtung das Auslangen gefunden wird. Insbesondere sollen Reflexionen bei Breitbandanwendungen vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Anti-Reflexionsbeschichtung von einer ultradünnen und für die elektromagnetischen Wellen transparenten Metallbeschichtung gebildet ist.
Vorzugsweise ist die Schichtdicke der Antirefiexionsbeschichtung wesentlich geringer als λ/4, wobei λ die Wellenlänge der kürzestwelligen, den Körper durchdringenden elektromagnetischen Welle ist.
Die Berechnung der Schichtdicke der Anti-Reflexionsbeschichtung erfolgt vorzugsweise nach folgender Formel:
-■ = /*-<)•£, (2) wobei d die Dicke der Metallschicht, p(d) den dickenabhängigen spezifischen Widerstand der Metallschicht, An den Brechungsindexsprung am optischen Übergang und Zo die Wellenimpedanz des freien Raumes darstellen. Letztere beträgt 377 Ω und lässt aus
berechnen, wobei ε0 die Permittivität und μQ die Permeabilität des freien Raumes sind. Es handelt sich dabei um Naturkonstanten.
Für die Anti-Reflexionsbeschichtung haben sich insbesondere Metalle wie Chrom, Aluminium, Titan oder auch Gold bewährt.
Für bestimmte Anwendungsbereiche hat es sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn eine Zusatzschicht aus dem selben Metall wie die Anti-Reflexionsbeschichtung in der Dicke von bis zu 0,5 nm, vorzugsweise in der Dicke zwischen 0,1 bis 0,2 nm, vorgesehen ist, wobei diese Zusatzschicht nicht als eigene Schicht aufgebracht wird, sondern im Zuge der Aufbringung der Anti-Reflexionsbeschichtung aufgebracht wird, und zwar auch aus dem selben Metall wie diese, sodass letztendlich kein Unterschied zwischen der Anti- Reflexionsbeschichtung und der Zusatzschicht zu erkennen ist und diese Schichten eine einzige Schicht bilden.
Zweckmäßig weist die Zusatzschicht eine Dicke =
Oberfläche der rauen Schicht
Δ d » (0, 1 bis 0,5 im) auf.
Oberfläche der idealen Schicht
Vorzugsweise erfolgt das Aufbringen der Anti-Reflexionsbeschichtung, gegebenenfalls mit Zusatzschicht, auf den Körper durch Aufdampfen. Das Aufdampfen erfolgt zweckmäßig unter Hochvakuum, vorzugsweise einem Mindestvakuum von 10"8 bar, insbesondere bei einem Hochvakuum von 10" bar.
Zur Erzielung einer sehr glatten und gleichmäßig dicken Aufdampfung erfolgt das Aufdampfen langsam, d.h. unter 0,1 nm/s, vorzugsweise bei 0,05 nm/s oder darunter.
Vorzugsweise wird für die Bemessung der Dicke der Zusatzschicht wie folgt vorgegangen:
Oberfläche der rauen Schicht
Δ d « (0,l bis 0,5 nm) .
Oberfläche der idealen Schicht
Die Erfindung ist nachstehend theoretisch und auch an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Fig. 1 zeigt eine Reflexion an einer Metallschicht, Fig. 2 den spezifischen Widerstand von Chrom in Abhängigkeit der Schichtdicke, Fig. 3 eine Ansicht einer Metallschicht stark vergrößert (Ausschnitt 1 μm2) und Fig. 4 theoretische und gemessene Werte einer Reflexion in Abhängigkeit der Schichtdicke einer Chrom-Schicht. Fig. 5 und Fig. 6 sind Diagramme zur Bestimmung der Schichtdicke.
Wie eingangs erwähnt, ist der Schlüssel gemäß dem Stand der Technik zu einer wirkungsvollen Anti-Reflexionsbeschichtung immer eine Phasendrehung um 180°, wodurch eine gegenseitige Auslöschung der reflektierten Wellen erzielt wird. Um dies zu bewirken, wird erfindungsgemäß ein ganz anderer Effekt genützt..
Dielektrische Materialien weisen einen fast rein realwertigen Brechungsindex nj= n -jθ auf. Dadurch ändert der elektrische Feldvektor bei Transmission und Reflexion nicht seine Phase. Die Formeln des Transmissions- und Reflexionskoeffizienten für einen optischen Übergang von einem ersten Material zu einem zweiten Material zeigen dies klar durch ihre realwertigen Koeffizienten.
t = -, r = ^^ (3) nx + n2 nx + n2
Im Gegensatz dazu haben elektrisch leitfähige Materialien einen Brechungsindex mit einem sehr hohen Imaginärteil n_= n -jk. Dieser verursacht, dass die Koeffizienten für Transmission und Reflexion
_ t = — = t - em , r = - λ = r - e'-φ' (4)
H1 + n2 nx + n2
neben ihrem Absolutwert noch eine Phase beinhalten. Um Einfluss auf die Eigenschaften des Beschichtungsmaterials nehmen zu können, wird der Parameter der Schichtdicke herangezogen. Durch geeignete Wahl der Dicke kann der Brechungsindex eingestellt werden und auch die Transparenz für elektromagnetische Wellen verbessert werden.
Trifft eine elektromagnetische Welle vom einem ersten Material auf eine solche leitfähige Schicht, geschieht folgendes (vgl. Fig. 1):
1. Die einfallende Welle 1 wird am Eingangs-Interface 2 mit einer ultradünnen Metallschicht 3, die auf einen optischen Körper 4 aufgedampft ist, reflektiert, was im folgenden als Hauptreflexion 5 bezeichnet wird. Höhe und Phase dieser kann mittels (4) bestimmt werden.
2. Der Anteil 6 der Welle 1, der in die Metallschicht 3, die eine metallische Anti- Reflexionsbeschichtung 3 bildet, eindringt, trifft auf den hinteren Übergang 7. Dort wird wieder ein Teil 8 der Welle 1 reflektiert und ein Teil 9 dringt in den dielektrischen Bereich 10 ein. Dies geschieht mehrere Male auf beiden Seiten 2 und 7 der metallischen Anti-Refiexionsbeschichtung 3.
3. Eine Phasenänderung des Signals geschieht an den Übergängen 2 und 7 der metallischen Anti-Reflexionsbeschichtung 3 zu den benachbarten Schichten 4 und 10. Das bedeutet, dass sich nach jeder Reflexion die Phase ändert. 4. Die Summe der transmittierten und reflektierten Teile des Signals ergeben durch Überlagerung die Gesamtransmission und Gesamtreflexion.
5. Durch den Brechungsindex der Anti-Reflexionsbeschichtung 3 löscht die Summe der innerhalb der Anti-Reflexionsbeschichtung 3 reflektierten Signale 8 die Hauptreflexion 5 aus.
Da die Amplitude und Phase der Teilreflexion von der Schichtdicke 11 des leitfähigen Materials, d.h. der Metallschicht 3, und dessen optischen Eigenschaften abhängt, kann für ein gegebenes Materialsystem (Dielektrikum 4 / Metallische Schicht 3 / Dielektrikum 10) die richtige Schichtdicke
Figure imgf000008_0001
wobei d die Dicke der Metallschicht, p(d) den dickenabhängigen spezifischen Widerstand der Metallschicht, An den Brechungsindexsprung am optischen Übergang und ZQ die Wellenimpedanz des freien Raumes darstellen. Letztere beträgt 377 Ω und lässt sich aus
Figure imgf000008_0002
berechnen, wobei ε0 die Permittivität und μ0 die Permeabilität des freien Raumes sind. Es handelt sich dabei um Naturkonstante.
Der große Vorteil dieser Art der Anti-Reflexionsbeschichtung 3 liegt in der Frequenzunabhängigkeit des Effekts. Die Phasenänderungen um die resultierende Drehung um 180° der resultierenden Reflexion werden nicht durch Fortpflanzung innerhalb der Metallschicht 3, sondern an den Begrenzungsflächen 2 und 7 erreicht. Solange für den gewünschten Frequenzbereich im elektromagnetischen Spektrum die Eigenschaften des zu beschichtenden Materials, d.h. des optischen Körpers 4 und des eingesetzten metallischen Beschichtungsstoffes, konstant bleiben bzw. sich nur geringfügig ändern, solange bleibt auch der Anti-Reflexionseffekt erhalten.
Einen Nachteil, wie bei jeder anderen Art der Anti-Reflexionsbeschichtung, stellt die verminderte Transmission dar. Durch die elektrisch leitfähige Anti-Reflexionsbeschichtung 3 wird ein Teil der Leistung der elektromagnetischen Welle 1 absorbiert. Z.B. für ein Materialsystem Silizium/Chrom/Luft beträgt die Verminderung ca. 55%. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass der für die Anti- Reflexionswirkung ausgenützte Effekt auf der elektrischen Leitfähigkeit der metallischen Anti-Reflexionsbeschichtung 3 beruht und nicht auf Eigenschaften des zu beschichtenden Körpers 4. Deshalb kann jeder elektrisch nichtleitfahige bzw. schwachleitfähige Körper 4 mit einer ultradünnen metallischen Anti-Reflexionsbeschichtung 3 überzogen werden. Im allgemeinen muss das Material der Anti-Reflexionsbeschichtung 3 folgende Bedingungen erfüllen:
1. Gute Benetzungsfähigkeit, damit die Anti-Reflexionsbeschichtung 3 auf dem zu beschichtenden Körper 4 verbleibt bzw. aufgebracht werden kann.
2. Langzeitstabilität der Materialeigenschaften.
3. Schneller Aufbau von durchgehenden und homogenen Schichten.
Als gutes Material für die Anti-Reflexionsbeschichtung 3 hat sich z.B. Chrom bewährt. Es erfüllt alle obigen Materialeigenschaften in hohem Maße. Zusätzlich bildet es schnell durchgehende Atomschichten (vgl. Fig. 3), und der hohe spezifische Widerstand (vgl. Fig. 2) führt dazu, dass die erforderlichen Schichten dicker sind und damit leichter mit einer hohen relativen Genauigkeit aufgedampft werden können.
Der hohe Schmelzpunkt von Chrom erlaubt eine Hochtemperaturanwendung und dadurch den Beschuss des optischen Körpers 4 auch mit Hochleistungslasern.
Bei der Anwendung in der Praxis hat es sich gezeigt, dass es nach einiger Zeit zu einer Verminderung der Leitfähigkeit der metallischen Anti-Reflexionbeschichtung 3 gekommen ist. Um dies auszugleichen, wurde die Schichtdicke 12 der Anti-Reflexionsbeschichtung 3 geringfügig dicker gewählt, als sich durch die Formel (2) ergibt. Es wurde also eine Zusatzschicht 3' mit einer Dicke Δ d von bis zu 0,5 nm, vorzugsweise einer Dicke Ad von 0,1 bis 0,2 nm, aufgebracht, jedoch im gleichen Aufbringungsverfahren und aus dem selben Material. Erstaunlicherweise hat sich gezeigt, dass bei einer solchen Anti- Reflexionbeschichtung 3, die um die Zusatzschicht 3' dicker bemessen ist, nach einer anfänglichen Verminderung der Leitfähigkeit keine weitere Verminderung mehr eingetreten ist, sodass nach der Verminderung der Leitfähigkeit der mit einer Zusatzschicht 3' versehenen Anti-Reflexionsbeschichtung 3 diese die optimale elektrische Leitfähigkeit aufweist. Es hat sich gezeigt, dass bei fast allen Metallen, die besonders gute Hafteigenschaften aufweisen, nach dem Beschichtungsprozess eine Verminderung der Leitfähigkeit nach einer bestimmten Betriebsdauer auftritt. Dieser Effekt wird erfindungsgemäß durch Aufdampfen einer dickeren als der berechneten Schicht kompensiert. Zu diesen Metallen zählen speziell Chrom, Titan und Aluminium. Diese Überkompensation soll im Mittel 0,1 bis 0,5 nm betragen. Dies setzt aber eine hohe Qualität (bzw. glatte Oberfläche) der Metallschicht voraus. Ist die Qualität aufgrund des Aufdampfprozesses schlechter, erhöht sich auch die zusätzliche Schichtdicke, da sich auch deren spezifischer Widerstand erhöht. p(dsolι) = p(dlsl - Ad)
Dieser Faktor kann durch das Verhältnis von Oberfläche der glatten Schicht zur rauhen
Schicht berücksichtigt werden und führt zur Näherungsformel zu Überkompensation von
Oberfläche der rauen Schicht
Δ d « (0,l bis 0,5 nm) -
Oberfläche der idealen Schicht
Eine solche in der Frequenzdomäne breitbandige Anti-Reflexionsbeschichtung 3 kann sehr vielfaltig eingesetzt werden. So reicht die Anwendung von der Mikrowellentechnik bis zum Infrarot für die Beschichtung von nichtleitfähigen bis schwach leitfähigen Materialien. Dazu zählen z.B. alle halbleitenden Stoffe, Keramiken, glasartige Materialien, usw. Speziell Probensubstrate, Linsen, Fenstermaterialien und andere optische Komponenten können durch diese Metallschicht 3 wesentlich zur Verbesserung der Messqualität beitragen.
Erfolgreich angewendet wurden die ultradünnen Metallschichten 3, 3' zur Reflexionsunterdrückung bisher für Probensubstrate aus Silizium (Si) und elektro-optische Sensoren aus Gallium-Phosphid (GaP) für die Messung von gepulster THz-Strahlung (0,1 bis 7 THz).
In Fig. 4 sind die simulierten und gemessenen Amplituden der relativen elektrischen Feldstärke von Transmission und Reflexion für das Material Silizium dargestellt. Die Abweichungen zwischen den simulierten und gemessenen Werten lassen sich durch die Rauhigkeit (vgl. Fig. 3) der Chromschicht und die Messungsgenauigkeit während des Beschichtungsprozesses erklären. Grundlage der Simulation war die gemessene Leitfähigkeit für die verschiedenen Schichtdicken. Zu der Leitfähigkeit tragen hauptsächlich die durchgehenden Atomlagen bei. Die effektive Leitfähigkeit, die auf eine elektromagnetische Welle wirkt, beinhaltet aber auch die lokalen Anhäufungen von Atomen. Dies bewirkt, dass bei geringen Schichtdicken eine elektromagnetische Welle eine höhere Leitfähigkeit fühlt und damit der Anti-Reflexionseffekt größer ist, als die Simulation vorhersagt. Der Effekt funktioniert aufgrund durchgeführter Simulationen und Berechnungen auch im Mikrowellenbereich und auch für mittleres Infrarot, nur dass in diesem Frequenzbereich die Eigenschaften von Metallen nicht mehr als konstant angesehen werden können und der Effekt nur innerhalb einer gewissen Bandbreite auftritt.
Nachfolgend ist ein Beispiel für die Berechnung der Schichtdicke einer metallischen Schicht aus Chrom für das System Silizium/Chrom/Luft wiedergegeben:
Um die Berechnung der optimalen Schichtdicke für eine metallische Anti- Reflexionsbeschichtung 3 durchführen zu können, werden folgende Informationen benötigt:
1. Der Brechungsindex der beteiligten Materialien für den gewünschten Frequenzberich.
2. Der spezifische Widerstand des einzusetzenden Metalls als Funktion der Schichtdicke. Da noch keine exakten mathematischen Berechnungsmethoden für dessen Bestimmung existieren, muss dieser experimentell bestimmt werden. Für Chrom ist dieser in Abbildung 1 dargestellt.
3. Die Formel zu Berechnung:
/ τ\ An ,_. d = p(d)-— , (2) wobei d die Dicke der Metallschicht, p(d) den dickenabhängigen spezifischen Widerstand der Metallschicht, An den Brechungsindexsprung am optischen Übergang und Zo die Wellenimpedanz des freien Raumes darstellen. Letztere beträgt 377 Ω und lässt sich aus
Figure imgf000011_0001
berechnen, wobei ε0 die Permittivität und μ0 die Permeabilität des freien Raumes sind. Es handelt sich dabei um Naturkonstante.
Silizium hat im Bereich von 0,2 bis 10 THz einen konstanten Brechungsindex von ungefähr 3,4. Der Brechungsindex von Luft beträgt in guter Näherung 1. Daraus folgt ein Brechungsindexsprung An am optischen Übergang von 2,4.
Da die obige Formel nur in expliziter Form vorliegt und auf der linken und rechten Seite die Schichtdicke d vorkommt, besteht keine direkte Berechnungsmöglichkeit; es könnenjedoch folgende Methoden benützt werden: 1. Die optimale Schichtdicke soll iterativ bestimmt werden. Dies bedeutet, es wird eine Schichtdicke einfach angenommen und mit einem Näherungsverfahren, wie z.B. nach Newton, der Endwert der Formel (also die optimale Schichtdicke) berechnet.
2. Schneller und einfacher geht man vor, indem die Formel für die Schichtdickenbestimmung umgeformt wird, um eine Fehler- bzw. Abweichungsfunktion zu erhalten, deren Nullpunkt graphisch bestimmt werden kann:
Z0 W Z0 FK ' 377Ω
Der Verlauf dieser Funktion für das Materialsystem Silizium/Chrom/Luft ist in Fig. 5 dargestellt; sie zeigt den Schichtdickenfehler für Chrom auf Silizium als Funktion der Chromschichtdicke d.
Es kann direkt die optimale Schichtdicke ermittelt werden. In dem Beispiel Chrom auf Silizium beträgt diese 8,1 im. Auf diese einfache Weise lässt sich für jedes Materialsystem die richtige Schichtdicke bestimmen. Aufgrund einer anfänglich stattfindenden Verminderung der Leitfähigkeit werden erfindungsgemäß 0,2 nm addiert, was zum Endwert von 8,3 nm führt.
Eine weitere allgemein Methode zur Schichtdickenbestimmung der Anti- Reflexionsbeschichtung ist folgende:
Obige Formel lässt sich in den meisten Fällen benützen, wenn rein dielektrische bzw. ideale Materialien beschichtet werden sollen. Handelt es sich aber um verunreinigte bzw. schwach leitfähige Materialien, so kann die Genauigkeit der Berechnung durch Anwendung einer allgemeinen Berechnungsmethode verbessert werden.
Ausgehend von den allgemein gültigen Formeln für Transmission und Reflexion an einem optischen Übergang (sind bereits im Patenttext beinhaltet)
2 • n, . n, -n„ t = =±- = t-e"* und r = ^=± = r -e-φ> , (4) nx +n2 nx + n2
kann die Amplitude der elektromagnetischen Welle der Transmission und Reflexion berechnet werden. Die Berechnung nützt den Umstand aus, dass die Metallschicht viel dünner ist als die Wellenlänge des Signals. Dadurch kann die Standardformel zur Berechnung geometrischer Reihen angewendet werden, was die Berechnungszeit drastisch reduziert. Dies führt letztendlich zu den Formeln für die Transmission
E7 - E1 - tU2 ■ tlM ■ tM • 1 _
*- ~ rM\ ' ^M ' rM2 und Reflexion
ER = Ex - \ rxM +tm -tw - tM - rM2 •— — -
wobei tXιy und rΛj-μ die komplexen Transmissions- und Reflexionskoeffizienten für einen Übergang vom Material x zu y sind, IM ist der komplexe Transmissionskoeffizient der Metallschicht und Ej ist die elektrische Feldstärke der einfallenden em- Welle für eine gegebene Frequenz.
Möchte man nun die optimale Schichtdicke für ein gegebenes Materialsystem berechnen, so setzt man die schichtdickenabhängigen Koeffizienten tXιy , ^ und r\y ein und berechnet den Graphen für die Amplitude der Reflexion als Funktion der Schichtdicke. Wo diese den Wert 0 erreicht ist auch die optimale Schichtdicke erreicht (siehe Fig. 6).
Der Vorteil dieser Methode ist folgender: Da alle Materialparameter in der Formel beinhaltet sind, kann speziell auf das frequenzabhängige Verhalten aller beteiligten Materialien eingegangen werden. Zusätzlich erlaubt diese Berechnungsmethode eine sehr genaue Bestimmung für schwach leitfähige Materialien, da deren komplexer Brechnungsindex komplett in die Berechnung eingeht.

Claims

Patentansprüche:
1. Mit elektromagnetischen Wellen durchdringbarer Körper (4) mit einer Anti- Reflexionsbeschichtung (3, 3') für die elektromagnetischen Wellen (1), insbesondere ein zur Verwendung in der Optik bestimmter Körper (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Anti- Reflexionsbeschichtung (3, 3') von einer ultradünnen und für die elektromagnetischen Wellen transparenten Metallbeschichtung gebildet ist.
2. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke (11, 12) der Anti-Reflexionsbeschichtung (3, 3') wesentlich geringer ist als λ/4, wobei λ die Wellenlänge der kürzestwelligen den Körper (4) durchdringenden elektromagnetischen Welle (1) ist.
3. Körper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke (11) der Anti-Reflexionsbeschichtung (3) nach folgender Formel bemessen ist:
Figure imgf000014_0001
wobei d die Dicke der Metallschicht, p{d) den dickenabhängigen spezifischen Widerstand der Metallschicht, An den Brechungsindexsprung am optischen Übergang und Zo die Wellenimpedanz des freien Raumes darstellen; letztere beträgt 377 Ω und lässt sich aus
Figure imgf000014_0002
berechnen, wobei ε0 die Permittivität und μ0 die Permeabilität des freien Raumes sind.
4. Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anti- Reflexionsbeschichtung (3, 3') von Cr, Al, Ti oder Au gebildet ist.
5. Körper nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zusatzschicht (3') aus dem selben Metall wie die Anti-Reflexionsbeschichtung (3) in der Dicke Δ d von bis zu 0,5 nm, vorzugsweise in der Dicke Δd zwischen 0,1 bis 0,2 nm, vorgesehen ist.
6. Körper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzschicht (3') eine
Oberfläche der rauen Schicht
Dicke = Δ d « (0,1 bis 0,5 nm) aufweist.
Oberfläche der idealen Schicht
7. Verfahren zum Herstellen eines Körpers nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anti-Reflexionsbeschichtung (3), gegebenenfalls mit einer Zusatzschicht (3'), auf den Körper (4) aufgedampft wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die anti- Reflexionsbeschichtung (3, 3') unter Hochvakuum, vorzugsweise einem Mindestvakuum von 10"8 bar, insbesondere bei einem Hochvakuum von 10"9 bar, aufgedampft wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufdampfung langsam erfolgt, d.h. unter 0,1 nm/s, vorzugsweise bei 0,05 nm/s oder darunter.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass für die
Bemessung der Dicke (Δd) der Zusatzschicht (3') wie folgt vorgegangen wird:
Oberfläche der rauen Schicht
Δd « (0,l bis 0,5 nm)-
Oberfläche der idealen Schicht
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