[論文レビュー] Ultra thin anti-reflective coatings designed using Differential Evolution

Emmanuel Centeno, Amira Farahoui+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2019

Optical Coatings and Gratings被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、微分進化（DE）最適化を用いて、徐々に変化する屈折率（RI）遷移と干渉的パターンを組み合わせたハイブリッド屈折率プロファイルを設計することで、200 nm未塔の超薄型反射防止（AR）被膜を提案する。この手法により、可視光帯域全体で平均反射率が4%未塔に抑えられ、従来の厚いAR被膜を上回る性能を発揮し、低コストの反応スパッタリングによる製造が可能となる。

ABSTRACT

We use a state-of-the-art optimization algorithm combined with a careful methodology to find optimal anti-reflective coatings. Our results show that ultra thin structures (less than $300 \,nm$ thick) outperform much thicker gradual patterns as well as traditional interferential anti-reflective coatings. These optimal designs actually combine a gradual increase of the refractive index with patterns meant to leverage interferential effects. Contrarily to gradual patterns, they do not require extremely low refractive index materials, so that they can actually be fabricated. Using a cheap and easily deployable vapor deposition technique, we fabricated a 4-layer anti-reflective coating, which proved very efficient over the whole visible spectrum despite a total thickness of only 200 nm.

研究の動機と目的

• 200 nm未塔の超薄型反射防止被膜を設計し、従来の厚い勾配型または多層型被膜を上回る性能を実現すること。
• 非常に低い屈折率（約1.0）を必要とする連続的勾配型屈折率（RI）被膜の製造上の制限を克服すること。
• 1つの設計で徐々に変化するRI遷移と干渉効果の両方を活用し、広帯域および角度依存性能を向上させること。
• スケーラブルで低コストの蒸着技術を用いて最適化されたナノ構造AR被膜を実際に製造可能であることを実証すること。
• 製造に起因する屈折率の不規則性に対して最適化された設計のロバストネスを検証すること。

提案手法

• 100–200 nmの厚さ範囲で最適な屈折率（RI）プロファイルを探索するために、確率的最適化アルゴリズムである微分進化（DE）を採用した。
• 可視光帯域（400–900 nm）および複数の入射角（0°、45°、60°、70°）における平均反射率に基づいてコスト関数を定義した。
• 反応性ラジオ周波数磁気蒸着法を用いて、非化学计量比のシリコンオキシナイトライド（SiₓOᵧN_z）膜を4層構造で形成し、屈折率を1.45から3.74の範囲に調整した。
• パulses方形信号（T_on、T_off、F_max_O2）による酸素流量の制御により、膜の組成と屈折率を調整し、各層ごとの屈折率を精密にチューニングした。
• 徐々に変化する屈折率エンVELOPEと離散的な層厚みを組み合わせることで、アディアバティック遷移と破壊的干渉効果の両方を活用したハイブリッド設計を実現した。
• 10ピクセルのセグメントごとに±Δn/nの変動を模擬することで、屈折率の不規則性に対する耐性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 微分進化は、200 nm未塔の超薄型AR被膜を最適化でき、広帯域および角度応答において従来の厚いAR被膜を上回る性能を発揮できるか？
• RQ2 徐々に変化する屈折率の変化と離散的な干渉的層構造を組み合わせたハイブリッド設計は、完全に連続的または完全に多層型のアプローチよりも優れた性能を発揮するか？
• RQ3 このような最適化されたAR被膜は、超低屈折率材料を必要とせず、スケーラブルで低コストの蒸着技術で実際に製造可能か？
• RQ4 製造に起因する屈折率の変動に対して、最適化された設計はどれほどロバストか？
• RQ5 実際の被膜の反射率特性は、法線および斜め入射条件下でシミュレーション結果とどの程度一致するか？

主な発見

• 最適化された4層構造のAR被膜は、法線入射下で400–900 nmの波長範囲で平均反射率3.6%を達成し、素片シリコンの44%反射率に対して92%の低減効果を示した。
• 70°入射角では平均反射率が14%に抑えられ、650 nmの四分の一波長厚さの従来型被膜（86 nm）の平均14%と同等以下であった。
• 実験的反射率スペクトルはシミュレーションとよく一致しており、可視光帯域で最小値0.56%、最大値7.4%を示した。
• 屈折率の不規則性に対しても設計がロバストであることが示され、各層で±Δn/nの変動が生じても低反射率を維持した。
• わずか200 nmの厚さの実際の被膜は、1 μmを超える厚さの理論的連続的ガウス型RIプロファイルおよび多層干渉型被膜を上回る性能を示した。
• 反応スパッタリングにより、SiₓOᵧN_zの組成を精密に制御でき、屈折率を1.45（SiO₂に類似）から3.74（Siが豊富）の範囲に達成し、超低屈折率材料の必要性を回避した。