KR100472930B1 - 3-차원광자결정의제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적을 달성하기 위한 방법은 지금까지의 종래의 기지 방법보다 좀더 비용적으로 효과적이며 좀더 덜 복잡한 광자 성분을 생성시키는 방법으로 구성되며, 상기 광자 성분은 그들의 기판 표면상의 일정한 간격으로 공간을 갖는 다수의 광자 소자를 갖는다.
본 발명에 따르면, 폴리머화가 가능한 원료 물질을 기판에, 바람직하게는, 증기압의 방법에 의해 적용한다. 두 번째 공정 단계에서, 이 원료 물질은 하전된 입자 빔으로 기재 표면의 노출 부위에 도포시킨다. 이같은 부위에서 안정한 물질로의 전환이 일어나서, 그들의 반사 지수 및 수직 프로필에서 광자 결정의 광학적인 효과를 갖는다.
본 발명의 공정은 향상된 특성을 갖는, 특히 소형화된 유형의 광자 결정을 제조할 수 있도록 한다.

Description

3-차원 광자 결정의 제조 방법{PROCESS FOR FABRICATING THREE-DIMENSIONAL PHOTON CRYSTALS}
본 발명은 포괄적으로 광자 결정에 관한 것이며, 좀더 구체적으로는 밴드갭이 있는 결정 구조를 형성시키는 광자 결정 성분(photonic crystal components)에 관한 것이다.
밴드갭을 갖는 광자 결정들은 2- 및 3- 차원 유전체 구조를 갖으며, 전자파는 그의 전파 방향과 무관하게 허용되지 않는다. 다음을 참조할 수 있다:
1. S. John, "Strong Localization of Photos in certain Disordered Dielectric Superlattices ", Phys. Lett. 58, 2486 (1987);
2. S.L. McCall, P.M. Platzmann, R. Dalichaouch, D. Smitn, S. Schulz, "Microwave Propagation in Two-Dimensional Dielectric Superlattices ", Phys. Rev. Lett. 67, 2017 (1991);
3. K.M. Leung, Y.F. Liu, "Full Vector Wave Calculation of Photonic Band Structures in Face-Centered-Cubic Dielectric Media ", Phys. Rev. Lett. 65, 2646 (1990);
4. E. Yablonovitch T.M Gmitter, "Phtonic Band Structure: The Face-Centered-Cubic Case", Phys. Rev, Lett. 65, 1950 (1989).
산측 및 마이크로파 측정으로 이러한 광자 밴드갭이 유전체 매트릭스(matrix)나 유전체 로드(rod)내 홀의 면심입방(cubic face centered) 또는 2-차원 입방 배열에 의해서 산출되었다는 것이 밝혀졌다. 다음을 참고할 수 있다:
5. E. Yablonovitch, T.M. Gmitter, K.M. Leung, "Photonic Band Structure: The Face-Centered-Cubic Case Employing Nonspherical", Phys. Rev. Lett. 67, 2295 (1991); 및
6. K.M. Ho, C.T. Chan, C.M. Soukoulis, "Existence of a Photonic Gap in Periodic Dielectric Structures", Phys. Rev. Lett. 65, 3152 (1990).
이러한 점에 있어서, 우수한 품질의 광자 성분들이 단지 6 개의 면(plan)만으로도 달성될 수 있다. 다음을 참고할 수 있다:
7. S.Y. Lin. A, Arjavalingam "Photonic Bound States in Two-Dimensional Photonic Crystals Probed by Coherent-M-incrowave Transient Spectroscopy" J. Opt. Soc. Am B/Vol. 11, no. 10 (1994) 2124.
"광자 결정"으로서 알려진 이러한 류의 2- 및 3-차원 구조가 다음에 개시되어 있다:
8. S.Y. Lin. A, Arjavalingam "Tunneling of Electromagnetic Waves in Two-Dimensional Photonic Crystals" Optics Letters Vol. 18, no. 19, (1990) 1666.
이론적인 연구 결과를 이용하여, 이같은 기술 방법은 다수의 투침 광학 성분들(integrated optical components)을 신규한 방법으로 개선시키고 소형화할 수 있도록 해왔다. 예를 들면, 단일 모드용 전자기 마이크로-공명기, 광방사 다이오드가 이들 중에 속하는데, 이같은 구조들은 광파장 범위내에서의 자발적인 방사 현상을 억제하여, 필요한 전력량을 감소시키고 광방사체, 특히 광학 어레이의 신뢰성을 증진시킨다. 다음을 참고할 수 있다:
9. E. Yablonovitch, "Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics", Phys. Rev. Lett. 58 2058 (1987).
광학 방사체의 강화된 자발적인 방사는 광학 콘넥션(optical connections)과 스위치용 모듈레이션의 좀더 빠른 속도를 가능하게 한다.
정확히 맞춘 반사도와 투과도, 및 기하학적으로 조정된 파장과 대역폭을 갖는 고질의 광학 미러는, 좁은 대역 필터들(0.5 mm -1 mm), 편광자, 및 편광 선택 대역기 필터를 밀집할 수 있기 때문에, 소형화된 간단한 형태로 구성될 수 있다. 매우 효과적인 마이크로파 안테나 뿐만 아니라 초소형의 곡률 반경을 가지고 거의 바람직한 형태에 가까운 도파관 및 Y 커플러와 같이, 소정의 방향에서 빛의 직접적인 커플링되지 않고 광전자 소자가 선택적으로 펌핑되는 것이 가능하게 된다.
관련된 기술 방법에 의해 전술한 바와 같이, 이러한 류의 광자 결정들은 일반적으로 기판(substrate)으로부터 물질 등이 사용되어 결정을 형성하는 데 공정 방법을 이용하여 제조된다. 지금까지의 공지 방법들에서는, 나노리쏘그라픽적으로(nano- lithographically) 제조된 내에칭성 마스크(etch-resistant mask)를 통해 직접적으로, 화학적 지지된 이온-빔 에칭을 이용하여 상기의 구조물들이 상기 물질의 심부까지 에칭하여 이 비아(via) 구조를 제조하는 것을 시도하였다. 이러한 관점에 있어서, 100 mm 범위내에서 필요한 소정의 크기를 고려할 때 이러한 구조물 면의 가능한 숫자와 깊이가 리소그래피와 에칭 기술 방법에서 절실히 요구되어진다. 다음을 참고할 수 있다:
10. C.C. Cheng, A. Scherer, "Febrication of Photonic Bandgap Crystals", J. Vac. Sci. Technol. (1995), 13(6), 2606-2700.
일반적으로 공지된 부가적 리소그래피(additive lithography) 공정을 이용하며, 컴퓨터화된 전자-빔 유도 증착법을 이용하여, 유전체 물질의 길고 소형화된 니들의 2- 및 3-차원 배열이 나노미터의 정밀도로 광학적 경로에 직접적으로 장착된다. 다음을 참조할 수 있다:
11. H.W.P. Koops, R. Weiel, D.P. Kern, T.H. Baum, "High Resolution Electron Beam Induced Depositon", Proc. 31. Int. Symp. on Electron, Ion and Photon Beams, J. Vac. Sci. Technol B 6 (1) (1988) 477.
방법의 관습, 위치, 시간 및 이동 방향에 관한 기존의, 고도로 정밀한 전자 빔의 컴퓨터 제어로 바람직한 광학적 목적을 위해 선택된 변형을 달성하고, 결정에 대한 실질적으로 필요한 모든 기하학적 형태를 제조하는 것이 가능하다. 이는 상기 구조에 대한 광학적인 실행 특성을 정확히 맞출 수 있도록 한다. 또한, 이 구조를 구성할 때, 출발 물질의 조성물을 변화시킴으로써 광학 특성에 영향을 주어서, 이 결정을 구성하는 격자면, 니들을 구성하는 물질의 조성, 또는 굽은 로드(bent rods)를 변형시킬 수 있다. 따라서, 이 물질의 유전율의 공간적 분산도를 나노미터 범위내에서 선택적으로 조정하고 변형시킬 수 있다. 포커싱(focuing)과 같은 그외의 광학 특성들은, 개별적인 유전체 로드 형태를 추가적으로 변형시키고, 구성하는 동안의 컴퓨터 배열시에 조정될 수 있다. 종래 기술에 비해 중요한 개선점은 공정 단계가 현저하게 감소한다는 것, 물질 조성과 배열에서 결정의 자유로운 구성 및 결정을 구축하는 개별 셀의 유형에서 두드러진다. 이 기술은 인접 물질에 좌우되지 않으며, 추가로 그 어떤 기재상에 필요한 물질들을 생성시킬 수 있는데, 공간적인 분산과 원자 배열이 마스크 제조 및 제거용 추가 단계의 필요성 없이 변형되고 격자열로 자유롭게 프로그램될 수 있다. 이 기술 방법은 광자 결정의 테스트와 전개를 현저히 신속하게 향상시킬 수 있다.
목적을 달성하기 위한 또다른 기지 방법은 멀티빔 기록 장치(multi-beam write devices)의 이용을 기초로 한다. 미립자 빔을 이용하는 멀티빔 기록 장치, 이러한 성분들 및 투침 광학 회로는 부가적 리소그래피를 보조적으로 이용하여 경제적으로 제조할 수 있다. 다음을 참조할 수 있다:
12. German Patent 2446 789.8-33 "Korpuskularstrahloptisches Gerat zur Korpuskelbestrahlung eines Praparates" [Corpuscular Beam Optical Unit for Corpuscule Irradiation of Preparation];
13. German Patent 2460 716.7 "Korpuskularstrahl-optisches Gerat zur Korpuskelbestrahlung eines Praparates" [Corpuscular Beam Optical Unit for Corpuscule Irradiation of Preparation];
14. German Patent 2460 715.6 "Korpuskularstrahl-optisches Gerat zur Korpuskelbestrahlung eines Praparates in Form eines Flachenmusters mit mehreren untereinander gleichen Flachenelementen" [Corpuscular Beam Optical Unit for Corpuscule Irradiation of Preparation in the Form of a Surface Pattern having a Plurality of Same Surface Elements];
15. German Patent 2515 550.4 "Korpuskularstrahl-optisches Gerat zur Abbildung einer Maske auf ein zu bestrahlendes Praparat" [Corpuscular Beam Optical Unit for Corpuscule Irradiation of Preparation]; 및
16. M. Rub, h.W.P. Koops, T. Tschudi "Electron Beam Induced Deposition in a Reducing Image Projector", Microelectronic Engineering 9 (1989) 251-254.
Hans W.P. 등의 에세이["Characterization and Application of Materials Grown by Electro-Beam-Induced Deposition", Jpn, J. Appl. Phys. Vol. 33 (1994), pp. 7099-7107]에는 부가적 리소그래피 기법으로서 전자빔 유도 증착법이 기재되어 있는데, 표면에 흡착되는 3-차원 구조가 가능하게 한다. 유기 또는 유기 금속 재료가 전구체 물질로서 사용된다. 하지만, 기판 표면상에 3-차원 구조로서 광자 결정 흡착에 대한 참고 문헌은 이 에세이로부터 추론될 수 없다.
도 1은 모노모드 도파관에 삽입되는, 좁은-밴드 필터로서의 광자 결정의 일례를 도시한 것이다.
본 발명의 목적은 지금까지의 종래 기술 방법보다 좀더 비용적으로 효과적이고 좀더 덜 복잡한 광자 성분을 제조할 수 있도록 하는 것이며, 상기 광자 성분들이 그들의 기재 표면에 간격을 두고 공간을 갖는 다수의 광자 성분들을 갖도록 하는 시도가 이루어졌다.
이 공정은 공정중에 차원(dimension), 물질 조성 및 반사 지수에 영향을 미칠 뿐만 아니라, 개별적인 광자 성분들을 선택적으로 기판상에 배치하여 구조적 소자가 바람직한 구조를 갖도록 한다.
본 발명은 추가로 광자 성분의 소형화에 관한 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 방법은 3-차원 광자 결정 제조 공정 방법으로 구성되는데, 이 방법은 그 자체로는 기지된 부가적 리소그래피법을 기초로 미립자 유도 증착법을 연계시킨 것이다. 본 발명에 있어서, 폴리머화가 가능한 전구 물질 형태로 원료 물질을 출발 기재로서 기재의 표면에, 바람직하게는, 충분하게 큰 증기압을 사용하여 도포한다. 이같은 공정은 흡착(adsorbing)이나 흡수(absorbing)보다는 수착(sorbing)으로서 기술된다. 기판 표면에 이같은 방식으로 적용되는 폴리머화가 가능한 전구체 물질은, 광자 또는 미립자 빔과 같은 하전-입자 빔의 잘 통제된 효과로 노출된 기판의 표면 부위에서 처리된다. 이와 같은 관점에서, 빔의 2-차원 작용이 기판 물질의 소정 부위에서 다양한 시간 간격으로 일어나는 것이 바람직하다. 이 효과는 방사에 노출되는 부위에서 폴리머화가 가능한 전구체 물질이 비휘발성 물질로 전환될 때까지 지속된다. 비휘발성 물질의 이와 같이 제조된 영역은 광자 결정의 광학 효과에 대한 수직 프로필과 반사 지수에 해당된다.
폴리머화 노광에 이어서 제조된 결정 구조를 안정화시키기 위해서는, 사용된 빛에 대해 투과성이 있는 물질로, 제조된 광자 결정의 2- 또는 3-차원 구조의 공간 사이를 채우는 것이 유리하다.
본 발명의 방법에 사용되는 원료 물질 또는 개시 물질(출발 물질)로서는 모노머, 폴리머 또는, 모노머, 폴리머 및 유전체와 금속 유기 물질의 혼합물을 사용할 수 있다. 사용된 출발 물질은 공정에 적절한 증기압을 가져야만 하고, 하전-입자 빔에 의해 조사될 경우에 폴리머화가 가능해야만 한다.
본 발명의 공정에 필요한 증기압은 또한 어떠한 경우에서는 출발 물질을 열처리함으로써 제조될 수 있다.
광자 결정으로서 작용하는 2- 또는 3-차원 구조의 형태와 구조의 전개는 컴퓨터 제어 방법에 의해, 즉 광자 또는 미립자 빔 제어에 의해서 및 물질의 컴퓨터 제어 공급을 통해 공정 시퀀스 동안에 결정된다. 이러한 문맥에서, 이 구조는 연속적으로 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 평행 구조물도 고려될 수 있다. 따라서, 이러한 관점에서, 프로그래밍 및 이에 따른 빔 유도와 물질 공급의 제어는 일반적으로 공지된 멀티빔 또는 프로젝션 마스크 기법을 기초로 하여 평행 빔을 이용하여 수행되는 것이 바람직하다. 프로그래밍에 의해 제조된 결정 구조와 광자 결정의 결과적인 특성들을 제외하고, 포커싱과 같은 부가적인 광학 특성을 제조하는 동안에 결정 셀의 프로그램된 변조를 통해 첨가될 수 있다.
본 발명에 의한 공정의 다른 바람직한 예는 도파관 패턴내의 기판상에 함몰부를 형성하는 것으로 이루어진다. 결정 구조의 개별 결정들이 공정의 추가 경로에서 이같은 함몰된 부분내에 증착된다.
이같은 관계에 있어서, 개별적인 결정들은 연속적으로, 및 병행식으로 구축될 수 있다.
마찬가지로 도파관 패턴내에 특정적으로 적용되는 함몰이 발생되는 결정의 병행식 생성은 다수의 평행 빔들을 이용하거나, 마스크-프로젝션 이미지 감소 또는 접촉 프린팅의 방법에 의한 미립자-광학 공정을 이용하여 수행된다.
도 1은 광자 결정을 나타낸 도면인데, 좁은 대역 필터로서 모노모드 도파관내에 삽입되어 있다. 전체적으로, 별도로 공간화된 간격으로 배열되고 본 발명의 공정에 적합한 광자 결정으로서 개발되는 다양한 유전체가 필터를 구성한다. 이 유전체는 단지 특정 파장의 전자기파만을 허용하여 통과시킨다. 이 필터는 그의 전파 방향과 무관하게 그외의 모든 파장에 대해 불투과성이다.
본 발명에 근거하여 제조된 광자 결정은, 소형화되고 집적화된 광학 회로 배열과 컴퓨터 구성을 구조물의 현재 타입의 것의 100 배 팩킹 밀도를 갖는 것으로 제조될 수 있도록 한다. 이같은 부류의 성분들은 컴퓨터 기술에서의 광학적 집적화의 발전을 나타내는 것이다.

Claims (14)

  1. 기판이 기재로서 사용되는, 3-차원 유전체 구조 제조용 광자-유도 또는 미립자-빔 유도된 증착 공정과 함께 연계한 부가적 리소그래피 공정의 적용 방법으로서, 상기 3-차원 구조가 광자 결정인 것을 특징으로 하는 부가적 리소그래피 공정의 적용 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    폴리머화 가능한 전구체 물질을 기판 표면상에, 바람직하게는 충분한 고증기압의 방법에 의해 흡착시키는 공정 단계, 및
    상기 캐리어 물질 표면에 도포된 폴리머화 가능한 전구체 물질을, 소정 부위에서 하전된-입자 빔으로 조사하여 처리하며 조사된 폴리머화 가능한 전구 물질이 비휘발성 물질로 전환되어, 광자 결정의 광학 효과에 대해 반사 지수와 수직 프로필에 해당하는 공정 단계를 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 하전된-입자 빔을 상기 기판 표면에 걸쳐 2-차원적으로 유도하고 조사 시간을 변화시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 폴리머화 노출 이후에, 안정화를 목적으로 하여 제조된 광자 결정의 2- 또는 3-차원 공간 구조의 공간 사이를 사용된 빛에 대해 투과성을 갖는 물질로 충진시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 2 항에 있어서, 폴리머화가 가능한 전구체 물질로서, 상기 공정에 적절한 증기압을 갖고 광자 또는 미립자 빔에 반응하여 폴리머화가 가능한 모노머를 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 2 항에 있어서, 폴리머화가 가능한 전구체 물질로서, 상기 공정에 적절한 증기압을 갖고 광자 또는 미립자 빔에 반응하여 폴리머화가 가능한 폴리머를 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 2 항에 있어서, 폴리머화가 가능한 전구체 물질로서, 상기 방법에 적절한 증기압을 갖고 광자 또는 미립자 빔에 반응하여 폴리머화가 가능한 모노머, 폴리머, 유전체 및 유기 금속 재료의 혼합물을 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 공정에 필요한 증기압을 상기 폴리머화가 가능한 전구체 물질의 열처리를 통해 생성시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 2 항에 있어서, 광자 결정으로서 작용하는 2- 또는 3-차원 구조의 형태와 배열을 광자 빔또는 미립자 빔의 컴퓨터 제어 및 물질 공급의 컴퓨터 제어로 빔 유도 제어 및 물질의 공급을 프로그래밍함으로써 결정하여, 상기 구조를 바람직하게는 연속적으로 구축하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 2 항에 있어서, 광자 결정으로서 작용하는 2- 또는 3-차원 구조의 형태와 배열을 멀티빔내의 평행 빔을 사용하거나, 마스크-프로젝션 기법을 사용하여 광자 빔 또는 미립자 빔의 컴퓨터 제어 및 물질 공급의 컴퓨터 제어로 빔 유도 제어 및 물질의 공급을 프로그래밍함으로써 결정하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 2 항에 있어서, 상기 소자의 성질과 결정 구조를 프로그래밍에 의해 설정하고, 포커싱과 같은 추가적인 광학적 특성을 제조하는 동안에 결정 셀의 프로그램된 변조를 통해 상기 소자에 첨가시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 2 항에 있어서, 상기 광자 결정을 함몰부, 특히 도파선 패턴내에 있는 함몰부에 구축하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 2 항 또는 12 항에 있어서, 상기 광자 결정을 연속적으로 구축하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 2 항 또는 12 항에 있어서, 상기 광자 결정을 다수의 광자 결정의 접촉 프린팅 또는 이미지-감소 마스크-프로젝션과 함께 다수의 평행빔을 사용하여 미립자 빔-광학 공정 방법을 사용하여 병행식으로 구축하는 것을 특징으로 하는 방법.
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