KR100813460B1 - 다층박막 증착에 의한 광학소자 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다층박막 증착에 의한 광학소자 제조방법에 관한 것으로, 고굴절률을 갖는 물질과 SiO2에 붕소산화물(B2O3) 또는 인산화물(P2O5)을 첨가하거나 붕소산화물과 인산화물을 동시에 첨가한 저굴절률을 갖는 물질을 교대로 증착하여 광학소자를 제작함으로써 박막내부의 잔류 응력과 크랙을 줄여 광학소자의 신뢰성 및 수율을 향상시킬 수 있다.
다층박막, 광학소자
Description
도 1a 내지 도 1e는 본 발명에 따른 적외선 차단필터 제조공정을 나타낸 단면도이다.
본 발명은 광학소자 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고굴절률과 저굴절률을 갖는 광학박막을 교대로 증착되는 박막형 소자에서 박막의 특성을 개선시킨 다층박막 증착에 의한 광학소자 제조방법에 관한 것이다.
다층박막 소자는 고굴절률층에서 저굴절률층으로 진행할 때의 빛의 진행특성과 저굴절률층에서 고굴절률층으로 진행할 때의 빛의 진행특성이 다른 것을 이용하는 소자로서, 빛이 고굴절률층과 저굴절률층을 반복적으로 투과할 때의 빛의 간섭현상을 응용한 소자이다. 이때 박막의 굴절률 차이는 클수록 우수한 특성을 얻을 수 있으며, 보통의 경우 고굴절률 층은 굴절률이 2.0∼2.5 사이 저굴절률 층은 굴절률이 1.4∼1.6 사이의 물질을 사용한다. 이때 증착되는 박막의 두께는 보통의 경우 사용하는 빛의 파장의 1/4 또는 1/2의 광학 두께로 증착한다. 박막의 증착층은 반복적으로 여러층을 쌓을수록 우수한 특성을 나타내며 소자의 특성 및 경제성으로 인하여 보통의 경우 4∼200층까지 증착하는 경우도 있다.
다층박막 증착 특성을 이용하여 제작되는 광소자로는 흔히 일상에서 접할 수 있는 안경렌즈의 무반사코팅, 광분배기와 같이 일정비율의 광을 투과 및 반사하는 소자, 짧은 파장을 차단하는 단파장 차단 필터, 긴파장을 차단 하는 장파장의 차단필터, 특정 칼라대역을 투과 또는 반사하는 대역투과/차단 필터, 편광상태에 따라 투과 또는 반사하는 편광 분배기, 위상지연자, 광통신 부품의 1.3/1.55㎛ 파장 다중화/역다중화 필터, 파장 간격이 20nm인 조파장다중화 필터(Coarse wavelength division multiplexer : CWDM), 파장 간격이 0.4nm, 0.8nm, 1.6nm인 고밀도 파장다중 역다중화 소자(Dense wavelength division multiplexer : DWDM) 등이 있다.
종래 다층박막 증착에 의한 광학소자의 제작은 주로 스퍼터(sputter), E-beam 또는 열증착(thermal evaporator)을 중심으로 이루어졌다. 고굴절률의 박막 물질로는 TiO2가 주로 사용되어 왔으며 비슷한 굴절률을 갖는 Ta2O5, 또는 Nb2O5 등이 고굴절률 박막으로 사용되며, 저굴절률 박막의 물질로 SiO2가 주로 사용되었다. 이러한 두 물질의 적층구조의 증착의 경우 SiO2의 열팽창 계수가 0.55×10-6/℃, TiO2의 열팽창계수가 7.1×10-6/℃로 열팽창계수의 차가 매우 커서 박막과 박막간의 응력의 발생 또는 박막과 기판간의 응력의 발생으로 인한 깨어짐 증착층의 들뜸, 박막의 깨어짐, 제작된 소자의 광학 특성 변화 등이 쉽게 발생하게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 증착 후 고온 열처리를 통한 열처리를 통하여 박막간의 응력을 제거하는 방법과 증착기판의 두께를 두껍게 하여 기판으로 응력을 완화 시킨 다음 기판을 폴리싱하여 얇게 하는 방법 등이 이용되어 왔다.
그러나, 열처리에 의한 내부응력의 완화에는 효과가 있으나 고온 열처리 전기로가 필요하며, 열처리 공정에 6시간 또는 하루 이상의 많은 시간의 소요됨은 물론 추가공정을 통하여 박막의 오염 등으로 인하여 생산성의 현격한 저하를 초래된다. 또한, 내부 응력을 줄이기 위하여 두꺼운 기판을 사용하여 증착을 한 다음 기판을 폴리싱을 또는 절단하는 방법 역시 고비용으로 인하여 생산성은 많이 떨어지는 단점이 있다.
상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은 저굴절률의 물질인 SiO2에 굴절률이 0.5％ 이내로 비슷하게 유지하면서 열팽창 계수를 조절하여 박막의 응력을 최소화하여 박막의 들뜸, 깨짐, 광학특성 변화가 없는 광학소자를 제조함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 순수 실리카 기판에 저굴절률 및 고굴절률 광학박막을 교대로 다층으로 증착하여 광학소자를 제조하는 방법에 있어서,
상기 저굴절률 광학박막은 SiO2에 붕소산화물(B2O3) 또는 인산화물(P2O5)이 첨 가된 것을 특징으로 한다.
상기 저굴절률 광학박막은 SiO2에 붕소산화물(B2O3)과 인산화물(P2O5)이 동시에 첨가된 것을 특징으로 한다.
상기 고굴절률 광학박막은 TiO2, Ta2O5, Nb2O5 중 적어도 어느 하나를 증착하는 것을 특징으로 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명에 따른 적외선 차단필터 제조공정을 나타낸 단면도이다.
도 1a 내지 도 1d를 참조하면, 먼저 순수한 실리카 기판(1) 위에 저굴절률 광학박막(2)인 SiO2에 붕소산화물(B2O3)을 첨가한 보로실리케이트 글라스(BSG: Borosilicate glass), SiO2에 인산화물(P2O5)을 첨가한 포스포실리케이트 글라스(PSG: phophosilicate glass) 또는 SiO2에 붕소산화물과 인산화물을 동시에 첨가한 보로포스포실리케리트 글라스(BPSG:borophosphosilicate glass)를 스퍼터(sputter), E-beam 또는 열증착(thermal evaporator) 방법으로 증착한다. 이때 상기 붕소산화물(B2O3)과 인산화물(P2O5)은 각각 0.2∼20mol％씩 첨가하고 바람직하게는 10mol％을 첨가한다.
이어서, 고굴절률 광학박막(3)을 TiO2, Ta2O5, Nb2O5 중 적어도 어느 하나를 스퍼터(sputter), E-beam 또는 열증착(thermal evaporator) 방법으로 증착한다.
이어서, 상기 광학박막(2,3)의 증착층은 반복적으로 여러층을 쌓을수록 우수한 특성을 나타내며 소자의 특성 및 경제성을 고려하여 4∼200층을 증착하고, 광학박막(2,3)의 두께는 사용하는 빛의 파장 정도 또는 그 파장보다 작은 막을 형성하며, 바람직하게는 사용하는 빛의 파장의 1/4 또는 1/2의 두께로 증착한다.
상기의 저굴절률 광학박막(2)인 SiO2의 경우 열팽창 계수는 0.55×10-6/℃이지만 여기에 붕소산화물을 10mol％ 함유시 1.55×10-6/℃까지 선형적으로 열팽창 계수가 변화되며, 인산화물을 10mol% 함유시 2.11×10-6/℃까지 선형적으로 열팽창 계수가 보이며 붕소산화물 10mol%와 인산화물 10mol%를 동시에 함유할 경우 4.00×10-6/℃까지의 열팽창계수를 변화시킬 수 있다.
이러한 열팽창 계수의 변화는 기존 실리카 기판 위의 SiO2/TiO2증착시의 SiO2의 열팽창계수 0.55×10-6/℃와 TiO2의 열팽창 계수 7.1×10-6/℃에 비하여 현저히 줄어든 수치로서 잔류 응력을 현저히 줄일 수 있다.
본 발명에서는 순수 실리카 기판(1) 대신에 파이렉스 글라스기판이나 BK7글라스 기판을 사용할 수도 있다. 상기 파이렉스 글라스 기판의 열팽창계수는 3.25×10-6/℃이며, BK7 글라스의 열팽창 계수는 8.3×10-6/℃으로 인하여 박막과 박막간의 응력뿐만 아니라 박막과 기판의 열팽창 계수를 유사하게 맞춤으로 인하여 내부응력 을 현저히 줄인 박막 소자의 제작이 가능하다.
상기와 같은 본 발명은 광학소자의 열팽창계수의 차이가 큰 박막을 적층 증착함으로 인하여 생기는 내부응력과 박막과 기판의 열팽창 계수 차이를 줄임으로 인하여 열팽창계수의 차이로 인하여 발생되는 잔류응력을 현저히 줄어든 광학소자를 제작할 수 있으며 제품의 크랙을 줄이는 것은 물론 소자의 신뢰성 및 제품 수율을 크게 향상시킬 수 있다.
Claims (6)
- 순수 실리카 기판에 저굴절률 및 고굴절률 광학박막을 교대로 다층으로 증착하여 광학소자를 제조하는 방법에 있어서,상기 저굴절률 광학박막은 SiO2에 붕소산화물(B2O3) 또는 인산화물(P2O5)이 첨가된 것을 특징으로 하는 광학소자 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 저굴절률 광학박막은 SiO2에 붕소산화물(B2O3)과 인산화물(P2O5)이 동시에 첨가된 것을 특징으로 하는 광학소자 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 고굴절률 광학박막은 TiO2, Ta2O5, Nb2O5 중 적어도 어느 하나를 증착하는 것을 특징으로 하는 광학소자 제조방법.
- 제2항에 있어서,상기 SiO2에 붕소산화물(B2O3)과 인산화물(P2O5)은 각각 0.2∼20mol％씩 첨가된 것을 특징으로 하는 광학소자 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 다층으로 증착은 4∼200층인 것을 특징으로 하는 광학소자 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 기판은 파이렉스계 글라스 또는 BK7계 글라스인 것을 특징으로 하는 광학소자 제조방법.
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