KR100454191B1 - 회절격자, 이 회절격자의 네가티브 및 레프리커·그레이팅그리고 그들의 제조방법 - Google Patents

Abstract

공진영역에서 넓은 파장대역에 걸쳐 높은 회절효율을 가지고, 레프리커 제작에도 적합한 회절격자를 제공한다.

홈 단면형상이 래머너형(직사각형) 이외의 예컨대 톱니모양이나 정현파 모양의 것으로서, 그 홈 바닥부를 평탄한 형상으로 했다.

근적외에서 적외에 걸쳐 홈 주기와 파장이 같은 정도의 영역에 있어서는, 종래의 홀로그래픽·그레이팅 및 에슐레트·그레이팅보다 우수한 분광성능(넓은 파장영역에서 밸런스 좋고 고효율)을 가지는 그레이팅으로서 기능하고, 또, 레프리커 제작시에 있어서는 홈의 에스펙트비가 작으므로 홈끼리가 서로 맞물리는 힘이 작고, 또 홈 바닥이 크기 때문에 박형제가 홈 바닥까지 충분히 골고루 퍼짐으로, 파팅시에 홈 결손 등의 불합리가 발생하기 어렵다.

Description

회절격자, 이 회절격자의 네가티브 및 레프리커·그레이팅 그리고 그들의 제조방법{GRATING, NEGATIVE AND REPLICA GRATINGS OF THE GRATING, AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은, 분광기나 분파기에 사용되는 파장분리/선택소자인 그레이팅(회절격자)에 관한 것이다. 또, 본 발명은 이 회절격자의 전사에 의해 제조된 네가티브 및 레프리커·그레이팅 그리고 이들의 그레이팅의 제조방법에 관한 것이다.

그레이팅(회절격자)은 분광기나 분파기 등에 사용되는 파장의 분리/선택소자이다. 이들을 홈 단면형상으로 대분류하면, ① 기판에 도포한 포토레지스트층에 2광속간섭(홀로그래픽 노광법)에 의한 간섭고를 노광·현상하여 제작되는 홈 단면형상이 정현파 모양의 레지스트 패턴을 가지는 홀로그래픽·그레이팅(이하, 홈 단면형상이 정현파 모양의 그레이팅을 홀로그래픽·그레이팅이라 칭한다), ② 또한 ①을 이온 빔 가공기술로 홈 단면형상을 톱니모양으로 변환한 브레즈드(brazed)·홀로그래픽·그레이팅이나 루링(ruling)엔진 등에 의해 기계각선(機械刻線)된 홈 단면형상이 톱니모양의 루루드(ruled)·그레이팅(이하, 홈 단면형상이 톱니모양의 그레이팅을 총칭하여 에슐레트(echellette)·그레이팅이라고 한다), ③ 또는 ①을 이온 빔 가공기술로 홈 단면형상을 직사각형 모양으로 변환한 래머너(laminar)·그레이팅이 알려져 있다.

광은 직행하는 전파와 자파의 2성분을 가진 횡파이며, 본래는, 전파와 자파의 경계영역에서의 작용이 다르기 때문에, 그레이팅에 입사하는 광을 홈방향으로 평행하게 진동하고 있는 성분과, 수직으로 진동하고 있는 성분으로 나누어지며, 이 성분마다 회절격자 홈표면에서의 작용을 계산하여 회절효율을 구할 필요가 있지만, 그레이팅의 홈 주기에 대해 사용파장이 작은 경우에는, 입사광을 2성분으로 나누어기론하지 않아도 광의 강도만, 즉 회절격자 홈의 프라운호퍼(Fraunhofer) 회절을 모든 회절격자 홈에서 적분함으로써, 회절효율을 계산하는 것만으로 양호한 일치가 얻어진다. 이 계산논리를 스칼라(scalar) 이론이라 말하며, 이 이론에 의하면, 실제와 잘 일치하는 양호한 계산결과가 얻어진다.

홈 주기/파장 > 5의 영역을 스칼라 영역이라 말하고, 개개의 회절격자 홈이 기여하는 프라운호퍼 회절을 적분함으로써, 회절효율을 계산할 수 있다. 이 영역에서는, 스펙트럼 형상에서 편광에 의한 차이는 작다.

이것에 대해, 홈 주기/파장 < 5의 영역을 리소넌스 도메인(Resonance Domain)(여기서는 공진영역이라 부른다)이라 말하며, 이미 스칼라 이론은 성립하지 않는다. 공진영역에서는, 편광에 의존하는 경계영역에서의 작용이 다르기 때문에, 그레이팅에 입사하는 광을 벡터양으로 하고, 회절격자 홈표면에서의 작용을 엄밀하게 계산하여 회절효율을 구할 필요가 있다.

그런데, 일반적으로, 반사광과 같은 단파장의 분광에는 홈 단면형상이 직사각형 모양의 래머너·그레이팅이 자주 사용되어 자외에서 근적외의 분석장치의 분광기에는 주로 홈 단면형상이 톱니모양의 에슐레트·그레이팅이 이용된다. 그 이유는 여러가지 있지만, 주는 사용하는 파장영역이나 그레이팅의 사용방법 등에서, 회절효율이 최적인 홈형상이 있기 때문이다. 이 영역에서는 스칼라 이론으로 계산한 결과가 실제와 비교적 잘 일치한다. 그러나, 근적외에서 적외에 걸쳐 홈 주기와 파장이 같은 정도의 영역이 되는 진공영역의 경우에는, 홈 단면형상이 정현파 모양의 홀로그래픽·그레이팅의 쪽이 에슐레트형·그레이팅보다 회절효율에 우수한 경우가있어, 종종 이용된다.

또, 레프리커(replica)·그레이팅의 양산방법으로서는, 일반적으로는 네가티브·그레이팅의 격자면에 박형제(剝刑劑)로서 얇은 유막이나 금, 백금 등의 부착력이 약한 금속막을 형성하고, 그 위에 진공증착에 의해 알루미늄 박막을 형성한 후, 이 알루미늄 박막 상에 레프리커 기판(유리기판)을 접착제를 통해서 접착하며, 접착제의 경화후, 유리기판을 모형(母型)(네가티브·그레이팅)에서 박리하는 것이다. 알루미늄 박막은 유리기판 측으로 이동하고, 결과로서 네가티브·그레이팅의 그레이팅 홈이 전사된 레프리커·그레이팅이 얻어진다.

그레이팅을 제작하는 경우, 사용파장 영역에서 분해능을 얻으려고 하려면, 그레이팅의 홈 갯수를 많게(홈 주기를 작게)할 필요가 있으며, 홈 주기와 사용파장이 같은 정도의 영역으로 되면, 홈 주기에 대한 홈 깊이(에스펙트비)를 크게 할 필요가 있지만, 홀로그래픽·그레이팅인 경우, 노광시의 간섭고의 홈 단면형상이 정현파 모양인 것이나, 노광시의 진동이나 열의 외란에 의해, 노광중에 안정하게 콘트라스트가 좋은 간섭고를 만드는 것이 곤란하기 때문에, 홈 깊이가 깊은 레지스트 패턴을 제작할 수 없으며, 결과적으로 홈 깊이가 깊은 홀로그래픽·그레이팅이나 브레즈드·홀로그래픽·그레이팅을 제작할 수 없었다.

제작 가능한 범위의 어느 정도 에스펙트비가 큰 홀로그래픽·그레이팅이나 에슐레트·그레이팅을 레프리커하는 경우, 박형제가 홈표면에 유효하게 붙어있지 않고, 박리(parting) 단계에서 파손이 생기기 쉬우며, 예컨대 박리할 때에 그레이팅 홈이 결손하거나, 홈형상이 충실하게 전사되지 않기 때문에 성능이 열화하는 등, 제작효율이 극단적으로 나쁘게 되는 경우가 많았다. 이와 같은 박리작업에서의 불합리를 피하기 위해서는, 에스펙트비가 작은 것이나, 박리하기 쉬운 형상이 바람직하지만, 특히 근적외에서 적외에 걸쳐 사용하는 그레이팅에서 고분해능을 얻을려고 하는 경우, 에스펙트비가 클뿐아니라, 절대적인 홈 깊이도 깊게되어, 상기의 문제점이 더욱 현저하였다.

또한, 에슐레트·그레이팅이나 홀로그래픽·그레이팅에서는, 공진영역이 되면 아무리 에스펙트비를 크게 해도, 피크가 단파장측에 고정되어 소망의 파장으로 피크를 옮기려는 것이 이론상으로도 일반적으로 곤란하며, 근방의 파장영역에서 충분한 회절효율을 가지는 반사(투과)대를 형성하는 것은 곤란하였다.

본 발명은, 이와 같은 문제점을 해결하고, 광파장영역, 특히 공진영역에서 높은 회절효율을 가지며, 또 레프리커 제작에 적합한 회절격자, 이 회절격자의 전사에 의해 제조된 네가티브 및 레프리커·그레이팅 그리고 이들 그레이팅을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

도1은 본 발명에 관한 홀로그래픽·그레이팅 및 레프리커·그레이팅을 제작하는 실시예를 설명하는 개략도,

도2는 홀로그래픽 노광장치의 일구성예를 설명하는 개략도,

도3은 본 발명에 관한 회절격자의 TE편광에 의한 회절효율 시뮬레이션도,

도4는 본 발명에 관한 회절격자의 TM편광에 의한 회절효율 시뮬레이션도,

도5는 본 발명에 관한 회절격자의 무편광에 의한 회절효율 시뮬레이션도,

도6은 본 발명에 관한 평탄한 상부의 반 톱니모양의 홈 단면을 가지는 회절격자를 나타내는 단면도이다.

(부호의 설명)

1 유리기판

2 포토레지스트층

21 회절격자 패턴

본원 발명자들은, 사용파장 등의 용도에 의해 타입이 다른 그레이팅이 사용되고 있는 것에 착안하여, 주의깊게 연구한 결과, 종래의 홈 단면형상을 기초로 제작방법을 고려하면서 회절효율이 우수하다는 상기 과제를 해결할 수 있는 홈 단면형상을 발견하였다.

계산에 의하면, 근적외에서 적외에 걸쳐 홈 주기와 파장이 같은 정도의 영역에서는, 에슐레트·그레이팅보다 홀로그래픽·그레이팅이 우수하다. 또, 레프리커에서는 홈의 에스펙트비가 작을수록, 홈끼리가 서로 맞물리는 힘이 작고, 홈 바닥이 클수록 박형제가 홈 바닥까지 충분히 골고루 퍼진다. 이상의 조건을 만족하는 홈형상으로서, 본 발명에 관한 회절격자에서는, 홈 단면형상이 래머너형(직사각형 모양) 이외의 예컨대 톱니모양이나 정현파 모양 등의 것으로서, 그 홈 바닥부를 평탄한 형상으로 했다. 즉, 본 발명에 관한 회절격자는 반 톱니모양, 정현반파, 상부가 평탄한 반 톱니모양의 홈 단면형상을 가진다.

이와 같은 홈 단면형상을 가지는 회절격자에 대해서, 회절효율의 시뮬레이션을 행한 결과, 종래의 에슐레트·그레이팅이나 홀로그래픽·그레이팅에서는 얻을 수 없었던 높은 회절효율이 소망의 파장영역에서 얻어지는 것을 알 수 있고, 실제로 제작한 회절격자의 회절효율 측정결과도 잘 일치하여 양호한 실효결과를 얻을 수 있었다.

또한, 기초가 되는 홈 단면형상은 래머너형 이외이면 좋고, 톱니모양, 정현파 모양 혹은 이들을 약간 변형한 것을 대상으로 하고 있으며, 홈 바닥부에 평탄부를 가지고 있으면 좋다. 또, 반사형의 것이라도 투과형의 것이라도 좋다.

(발명의 실시형태)

이하, 본 발명에 관한 회절격자의 제작방법 및 레프리커 방법에 대해서, 홈 단면형상이 정현파 모양의 것을 예로 들어 설명한다.

도1의 (a)에 있어서, 1은 광학 유리제의 기판이다. 기판은 회절격자의 오리지널 블랭크이며, 광학연마가 가능하며 레지스트가 도포되는 것이라면 그 종류는묻지 않지만, 광학 유리는 열변화에 의한 팽창율이 낮고, 광학소자인 회절격자의 기판소재로서 우수하다. 예컨대 BK7, BSC2, 하이렉스(pyrex) 유리, 소다 유리, 석영 유리, 제로듀얼(Zerodure)(SCH0TT사제), 크리스트론(crystron)(HOYA(주)제) 등의 저팽창결정 유리를 양호하게 사용할 수 있지만, 본 실시예에서는 BK7 유리를 일예로서 채용한다. 먼저, BK7 유리(약 60㎜×60㎜×11.3㎜)를 광학연마하여 오목면 기판을 제작하고, 초음파 세정에 의해 표면을 세정한다.

다음에, 기판(1)의 표면에, 포토레지스트층(2)을 형성한다. 포토레지스트로서는, 홀로그래픽 노광이 가능한 것이라면 어느것이라도 좋으며, 예컨대 MP1400(시프레이(shifurei)제)나 OFPR5000(도쿄오우카사제) 등을 사용할 수 있다. 본 실시예에서는 MP1400-22를 3000rpm으로 40초 스핀코트한 후, 콘벡션(convection)·오븐으로 90℃, 30분간 베이킹하여 두께 400㎚의 포토레지스트층(2)으로 했다.

이와 같이하여 준비한 도1의 (a)의 워크를 도2에 나타내는 바와 같은 홀로그래픽 노광장치에 세트하여 예컨대 He-Cd 레이저(λ=441.6㎚)의 2광속 간섭에 의한 홀로그래픽 노광법으로, 포토레지스트에 900groove/㎜의 간섭고의 잠상을 노광한 후, 전용 현상액으로 현상, 순수린스를 순차 행하여, 포토레지스트의 회절격자 패턴을 제작한다(도1의 (b)). 이때, 2광속 간섭의 간섭고의 강도분포는 정현파이지만, 노광시간과 현상시간의 제어에 의해, 기판면상에 정현반파 모양의 포토레지스트의 회절격자 패턴(21)을 작성할 수 있어, 본 실시예에서는 듀티비(홈 폭/홈 주기)를 0.5로 했다. 포토레지스트의 회절격자 패턴(21)의 홈 깊이(정현파 모양의 진폭)도 노광시간과 현상시간의 제어에 의해 결정할 수 있어, 본 실시예에서는 300㎚로 했다.

다음에, 반응성 이온 빔 에칭을 행한다(도1의 (c)). 사용하는 에칭 가스는 CF₄와 Ar 가스를 혼합비 : Ar/(CF₄+Ar)=60%, 가스압 2×10^-2Pa로 하여 기판의 법선방향에서 이온 빔을 조사했다. 레지스트 패턴이 소멸하고, BK7 유리기판(1)에 패턴이 완전하게 직접각선될때까지 약 10분간 에칭을 계속하여 홈 깊이 400㎚, 듀티비 0.5에서 홈 단면형상이 정현반파 모양의 회절격자를 제작했다(도1의 (d)).

또한, 사용하는 에칭 가스의 CF₄와 Ar과의 혼합비율은, 최초로 만드는 레지스트 패턴의 높이와 소망의 회절격자 홈 깊이에 의해 결정되므로, 비율도 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니고, Ar/(CF₄+Ar)=0.1 ~ 0.9의 범위에서 그때마다 최적인 값을 선택하면 좋다. 사용하는 에칭 가스도 CF₄+Ar의 혼합가스에 한정하지 않고, CF₄와 O₂나, 예컨대 CHF₃, CBRF₃등의 플루오르계 가스와 Ar 혹은 O₂의 혼합가스라도 좋다. 또, 이온 빔의 입사방향도 직입사(0°)로 한정되지 않는다. 요컨대, 최종적으로 얻으려고 하는 회절격자의 회절효율이 최적인 홈 깊이를 얻는 것을 목적으로 하고 있다.

이와 같이 하여 제작한 회절격자는, 홈 갯수 900groove/㎜에서 홈 깊이 400㎚일 때, 1.55㎛대에서 TE편광이 40%, TM편광이 95%가 되며, 예컨대 광통신 관련하여 사용하는데 적합한 것이다. 같은 홈 깊이 400㎚를 가지는 관련기술의 회절격자에서는, 격자 홈형상이 톱니모양의 브레즈드·그레이팅에서 TE편광이 17%, TM편광이 80%, 홀로그래픽·그레이팅에서 TE편광이 22%, TM편광이 94%가 되며, 이번에 제작한 평저형 홀로그래픽·그레이팅은 에슐레트·그레이팅이나 종래형의 홀로그래픽·그레이팅에 비해 상당히 우수한 회절효율을 나타냈다.

또 공진이론에 의한 에슐레트·그레이팅, 홀로그래픽·그레이팅과 이번에 제작한 평저형 홀로그래픽·그레이팅의 편광별 회절효율의 시뮬레이션 결과를 도3 ~ 도5에 나타낸다. 시뮬레이션 조건은, 홈 갯수(N)=900㎜; 2K=5degrees; 회절차수=1; 홈 깊이(h)=400㎚이다. 이 시뮬레이션 결과에서도 평저형 홀로그래픽·그레이팅이 TE, TM 및 무편광에서 상당히 우수하며, 시뮬레이션 결과도 양호한 일치를 나타내고 있다. 이것과 비교하여 에슐레트형의 경우는 TE, TM 및 무편광에서의 시뮬레이션 결과의 어긋남이 있다. 이것은, 평저형의 것은 제조상의 편차가 적고, 품질상에서도 에슐레트형의 것보다 우수하다는 증명이며, 따라서 제조기간이나 코스트면에서도 종래의 그레이팅보다 우수하다는 것을 알 수 있다.

에칭이 완료한 오리지널·그레이팅을 세정한 후, 진공증착장치에서, 사용파장 범위에서 적합한 재료에 의해 코팅을 행한다(도1의 (e)). 사용파장 영역에 의해서는 오리지널·그레이팅 그대로라도 반사율이 충분히 높으므로 그대로의 상태에서 충분히 사용 가능하지만, 다른 파장영역에서는 필요에 따라서 금(Au)이나 백금(Pt) 혹은 X선 다층막 등으로 코팅함으로써 반사율이나 내구성을 높여 사용한다. 본 실시예에서는, 자외부터 적외영역에서 비교적 반사율이 높은 알루미늄(Al)을 코팅했다.

계속해서, 오리지널·그레이팅에서 레프리커·그레이팅을 제작하는 방법에대해서 설명한다(도1의 (f)). 알루미늄(Al) 코팅한 오리지널·그레이팅에, 재차 진공증착장치로, 이형제(離刑劑)로서 예컨대 실리콘 그리스 등으로 얇은 유막(두께 약 1㎚)을 형성하고, 이어서 알루미늄 박막(두께 약 0.2㎛)을 진공증착한다. 진공증착장치에서 추출한 후, 접착제를 통해서 네가티브 기판(유리기판 등)을 접착한다.

접착제로서, 본 실시예에서는 에폭시 수지를 채용했지만 이것에 한정되는 것이 아니고, 그밖에도 내열성의 열경화성 수지인 요소수지, 멜라닌 수지, 페놀수지 등을 이용해도 좋고, 가시광 경화수지인 BENEF IX VL((주)아델제) 등을 이용하면 열왜(熱歪)의 영향을 적게 할 수 있다. 또, 탄성접착제 EP-001(세메다인제) 등도 이용할 수 있다.

접착제의 경화 후, 네가티브 기판을 오리지널·그레이팅(모형)에서 박리하면, 이형제를 경계로 하여 네가티브 기판이 박리한다. 박리후, 네가티브 기판의 표면에 남아 있는 이형제를 프레온 등의 용제로 세정하여 제거한다. 이와 같이하여 오리지널·그레이팅의 회절격자 홈이 표면에 전사된 네가티브·그레이팅이 얻어진다(도1의 (g)).

레프리커·그레이팅의 제작방법은 네가티브·그레이팅과 같아도 좋다. 네가티브·그레이팅에 이형제층, 알루미늄 박막을 형성하고, 접착제에 의해 레프리커 기판을 접착한 후, 박리를 행한다. 네가티브·그레이팅의 홈형상은 재차 반전되어 레프리커·그레이팅 표면에 전사되고, 결과로서 오리지널·그레이팅과 같은 홈형상을 가지는 레프리커·그레이팅이 제작된다. 이와 같은 공정을 반복함으로써 다수의레프리커·그레이팅이 제작된다. 본 발명의 오리지널·그레이팅에 대해서 레프리커·그레이팅이 제작된 경우는, 홈의 에스펙트비가 작을수록, 홈끼리가 서로 맞물리는 힘이 작고, 홈 바닥이 클수록, 박형제가 홈 바닥까지 충분히 골고루 퍼진다. 따라서, 홈의 결손, 격자의 성능열화 등의 박리의 단계에서의 문제를 회피할 수 있다. 그 외에, 공지의 제조방법, 복제방법에 의해 적절한 변형실시가 가능하다. 본 실시형태에서는, 정현반파의 홈 단면형상의 회절격자를 사용했다. 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 본 발명의 회절격자는 반 톱니모양, 도6에 나타내는 바와 같은 평탄한 상부를 가지는 반 톱니모양의 홈 단면형상을 가져도 좋다.

홈 주기에 대해 파장이 같은 정도 혹은 그 이상의 파장영역으로 되면, 종래의 에슐레트형 및 홀로그래픽형의 그레이팅에서는, TM편광, TE편광 양방의 회절효율이 높고 밸런스 좋게 얻는 것은 곤란하였으며, 또, 이들의 그레이팅의 경우, 홈의 에스펙트비가 크게 되며, 레프리커가 곤란하고, 오리지널·그레이팅의 홈형상을 유효하게 전사할 수 없으며, 양호한 회절효율을 가진 그레이팅의 공급이 곤란하였지만, 본 발명에 관한 회절격자에서는, 홈 단면형상의 정현반파나 톱니모양이며, 평탄한 홈 바닥부, 즉 반 톱니모양, 정현반파, 평탄한 상부를 가지는 반 톱니모양의 평저형의 회절격자로 함으로써, 홈 주기에 대해서 파장이 같은 정도 혹은 그 이상의 파장영역이라도 TM편광, TE편광 양방의 회절효율이 높고 또 밸런스가 좋은 것으로 할 수 있으며, 또한 레프리커에 의한 복제가 종래의 에슐레트·그레이팅이나 홀로그래픽·그레이팅보다도 용이하기 때문에, 고분해능이며 밝은 분광기를 싼값으로 제작할 수 있게 되었다. 특히, 광통신용으로서 유용한 1.2 ~ 1.7㎛대에서는 고분해능이며 또 효율이 우수한 회절격자를 제공할 수 있다.

Claims (2)

1. 홈 형상이 정현파형 또는 정현반파형이고, 홈 바닥부가 평탄하게 형성되어 있는, 홈 단면형상과 홈 바닥부를 가지고, 홈 폭과 홈 주기의 듀티비가 0.5인 것을 특징으로 하는 회절격자.
2. 제 1 항 기재의 회절격자에서의 전사에 의해 제작된 것을 특징으로 하는 네가티브·그레이팅 및 레프리커(replica)·그레이팅.