KR101455545B1 - 특히 다채널 스펙트럼-선택 측정을 위한, 광 대역통과 필터 시스템 - Google Patents

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프라운호퍼 게젤샤프트 쭈르 푀르데룽 데어 안겐반텐 포르슝 에. 베.
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Abstract

본 발명은 제 1 나노구조화 금속 층(4)을 포함하는 대역통과 필터 및 제 2 나노구조화 금속 층(7)을 포함하는 대역저지 필터의 하나 이상의 조합체를 가지며 대역통과 필터 및 대역저지 필터가 나란히 배치되고 이들의 총 두께가 상이한, 광 대역통과 필터 시스템에 관한 것이다. 밴드통과 필터의 통과-대역 폭과 부분적으로 중복하는 인접 파장 범위를 차단하도록 밴드저지 필터는 밴드통과 필터로 향한다. 제안된 광 필터 시스템으로, 작은 통과-대역 폭과 작은 공간 내에 나란히 다양한 필터 특성을 형성하는 것이 가능하다.

Description

특히 다채널 스펙트럼-선택 측정을 위한, 광 대역통과 필터 시스템 {OPTICAL BANDPASS FILTER SYSTEM, IN PARTICULAR FOR MULTICHANNEL SPECTRAL-SELECTIVE MEASUREMENTS}
본 발명은 스펙트럼 선택 통과 특성을 구비하는 하나 이상의 대역통과 필터를 가지는 광 대역통과 필터 시스템에 관한 것이다.
광 필터 시스템은 예를 들면 스펙트럼 측정 작업을 위해 또는 스펙트럼 선택 광 탐지를 위한 광 센서 시스템의 영역에서 특히 요구된다. 광 센서의 소형화를 향한 증가 추세는 예를 들면 광 이미징 센서 또는 칩-크기의 분광계에 대해, 작은 측방향 크기를 구비한 필터 시스템을 요구한다. 동시에, 사용된 필터 시스템은 3개 이상의 컬러 채널을 캡쳐하기 위해 또는 좁은-대역 스펙트럼 측정을 위해 작은 스펙트럼 대역통과를 가지는 것이 요구된다. 또한, CMOS 구성요소와 함께 CMOS 프로세스에서 용이하게 통합될 수 있는 필터 시스템이 또한 바람직하다.
작은 스펙트럼 대역폭을 구비한 종래의 광 대역통과 필터는 간섭 필터로서 유전체 박막 필터 시스템을 이용함으로써 형성된다. 광 대역통과 필터는 예를 들면 증기 증착에 의해 교대로 도포되는 통상적으로 50개 이상의 층으로 이루어진다. 필터의 파장은 단지 층 두께를 변화시킴으로써 변화될 수 있는데, 이는 매우 작은 공간 내에서 나란한 상이한 필터들의 배열체를 구성하는 것을 매우 어렵게 한다.
또한 본 특허 출원에서 홀 어레이로서 알려진, 특히 서브(sub)-파장 개구의 어레이로부터 광 나노구조물의 도움으로 얇은 금속 층 내에 형성되는 광 대역통과 필터가 또한 알려진다. 이들 "EOT 필터"(특이 광 투과; Extraordinary Optical Transmission)에 대한 기초는 T. W. Ebbesen 등에 의한 공개물, "서브-파장 홀 어레이를 통한 특이 광 투과(Extraordinary optical transmission through sub-wavelength hole arrays)", 네이처(Nature) 391, 667 (1998)이다. 다양한 필터의 인접한 배열체는 이와 관련하여 매우 용이하게 형성될 수 있는데, 이는 필터 파장이 특히 다른 일정한 층 두께를 구비한 개구들 사이의 거리 및 직경에 의해, 금속 층 내의 나노구조물의 측방향 구성에 의해 간단히 변화될 수 있다. 이 같은 종류의 필터 배열체는 반도체 프로세스, 예를 들면 CMOS 프로세스의 환경에서의 제조가 유용한데, 이는 이 같은 프로세스에서 일정한 두께를 가지는 층들을 이용하는 것이 필수적이기 때문이다. 이러한 방식으로, 예를 들면, 광 다이오드 어레이의 광다이오드들을 위해 사후-프로세싱, 특히 후속하는 특이(extra) 층의 도포 및 구조화에 대한 요구 없이 상이한 필터가 제공되는 것이 가능하다. 일정한 층 두께를 가지는 금속 층 내의 측방향으로 상이한 광 나노구조물의 필터 어레이와 광다이오드 어레이를 조합함으로써, 개별 칼라 센서 및 이미지 센서의 픽셀 둘다를 위한, 하나의 칩 상에 상이한 스펙트럼 채널을 조합하는 것이 가능하다.
그러나, 금속 나노구조물의 광 대역통과 필터는 전형적으로 100 nm의 비교적 대형 스펙트럼 대역폭을 가진다. 이와 관련된 필터 효과는 3개의 칼라 채널을 이용한 간단한 칼라 분석을 위해 이용될 수 있지만, 예를 들면, 이 필터 효과는 3개 이상의 채널을 이용한 더욱 정밀한 스펙트럼 또는 준-스펙트럼 측정에 대해 또는 분광 측정 작업에 대해서는 적절하지 않다. 결론적으로, 지금까지 3개 보다 상당히 많은 채널을 구비한 다중 스펙트럼 센서 및 이 같은 종류의 필터를 이용하여 칩-분광계를 생산하는 것이 가능하지 않았다. 작은 개수의 (1개 내지 3개) 채널이 충분하지만 좁은 대역 내에서 캡쳐되어야 하는 측정 작업과 관련된 센서조차 이러한 필터를 이용하여 이전에는 실행가능하지 않았다. 금속 나노구조물로 제조되고 더 좁은 대역통과를 가지는 대역통과 필터가 아직 알려지지 않았다.
본 발명의 목적은 매우 작은 공간에서 작은 스펙트럼 대역폭을 가지는 상이한 필터의 측방향으로 인접한 배열을 가능하게 하는 광 대역통과 필터 시스템 및 반도체 프로세스, 특히 CMOS 프로세스에 용이하게 통합될 수 있는 이 시스템의 제조를 제안하는 것이다.
이러한 목적은 특허 청구항 1에 따른 광 필터 시스템으로 해결된다. 광 필터 시스템의 유용한 변형은 종속항의 목적이거나 아래의 상세한 설명 및 실시예들로부터 판단될 수 있다.
제안된 광 필터 시스템은 조합 필터 효과를 달성하도록 위 아래로 배열되는 대역통과 필터 및 대역저지 필터의 하나 이상의 조합체를 포함한다. 대역통과 필터는 제 1 층 두께를 가지는 제 1의 나노구조화된(nanostructured) 금속 층으로 이루어지며 대역저지 층은 제 2 층 두께를 가지는 제 2의 나노구조화된 금속 층으로 이루어지며, 상기 제 1 층 두께는 상기 제 2 층 두께와 상이하도록 선택된다. 이러한 상황에서, 대역저지 층이 대역통과 필터의 통과-대역 폭과 부분적으로 중복하는 인접 파장 범위를 차단하는 방식으로 대역저지 층이 대역통과 필터로 향하게 한다. 따라서, 대역통과 필터의 통과-대역 범위의 측면들 중 하나가 대역저지 층에 의해 차단되어, 광 필터 시스템은 대역통과 필터보다 더 좁은 통과-대역폭 또는 스펙트럼 대역폭을 가진다. 층 두께의 상이한 선택은 필터 시스템의 중앙 파장에서 높은 필터 투과율을 구비한 개선된 필터링 특성을 가능하게 한다.
제 1 층 두께는 바람직하게는 130 nm 내지 270 nm, 특히 바람직하게는 150 nm 내지 250 nm의 범위로 선택되며, 제 2 층 두께는 30 nm 내지 170 nm, 특히 바람직하게는 50 nm 내지 150 nm의 범위로 선택된다. 이러한 값으로, 특히 중앙 파장에서 높은 투과율 및 가파른 측면을 구비한 좁은 대역폭의 조합에 관해, 유용한 필터 특성이 얻어진다.
이러한 상황에서, 대역통과 필터는 바람직하게는 홀 어레이의 형태로 나노구조화된 금속 층으로서, 즉 EOT 필터의 형태로 구성된다. 필터가 전체 시스템에서 대역저지 필터와 조합하여 사용될 때 이러한 필터의 상대적으로 넓은 통과-밴드폭은 상당히 감소된다. 이 같은 대역통과 필터는 관련 기술분야로부터 알려진 바와 같은, 얇은 금속 층 내의 나노개구의 어레이를 포함한다. 이러한 경우 나노개구는 원형일 수 있고, 다른 기하학적 형상일 수 있다. 필터 파장으로서 아래에서 지칭되는, 통과대역 범위의 중앙 파장(통과대역 범위의 반치전폭(full width half maximum)에 대해)은 주로 개구들 사이의 기간 또는 거리에 의해 그리고 개구의 직경에 의해 더 적은 정도로 결정된다. 개구 직경은 주로 필터의 대역폭 및 파장 모두가 이러한 두 개의 매개변수의 적절한 선택에 의한 소정의 제한 내로 조정될 수 있는 것을 의미하는, 필터 대역폭을 결정하는 것을 담당한다. 나노구조화된 금속 층을 기반으로 하는 이 같은 필터의 특별한 장점은 서로 옆에 그리고 기판 상의 매우 작은 공간 내, 상이한 필터링 특성, 특히 상이한 필터 파장을 구비한 필터를 생산하는 것이 용이하게 되는 것으로 이루어진다. 이러한 상황에서, 또 이에 따라 나노구조화되는, 균일한 층 두께를 가진 금속 층을 제공하는 것이 필요하다. 이 같은 필터의 상대적으로 큰 대역폭의 단점은 이를 대역저지 필터와 조합함으로써 현 광 필터 시스템에서 회피된다.
이 같은 설계의 대역통과 필터는 바람직하게는 균일하거나 일정한 두께의 금속 층으로부터 구성된, 즉 또한 홀 어레이를 보완하는 구조물, 특히 본 특허 출원에서 또한 아일랜드 어레이(island array)로서 지칭되는 금속 직육면체 또는 실린더의 주기적 배열을 형성하도록 나노구조화된, 대역저지 필터와 조합된다. 이 같은 구조물은 대역저지 필터의 특성을 가지며, 대역저지 필터의 차단 범위(위치 및 폭)은 정육면체 또는 실린더의 크기 및 거리 또는 주기의 적절한 선택에 의해 조정될 수 있다. 대역통과 필터 및 대역저지 필터의 이 같은 조합은 반도체 기술에서 사용되는 프로세스, 특히 CMOS 프로세스로 매우 유용하게 형성될 수 있는데, 이는 각각의 필터만이 균일한 두께의 하나의 금속 층을 요구하고 원하는 필터링 특성에 따라 구조화되기 때문이다. 이러한 방식으로, 여과 특성을 상이하게 함으로써 또한 대역저지 필터에 대한 상이한 구조화에 의해 매우 작은 공간에서 나란히 발생할 수 있다. 두 개의 필터는 유용하게는 예를 들면 SiO2로부터 원하는 통과-대역폭에 대해 투명한 재료로 제조된 CMOS-호환성 층에 의해 분리되는 것이 유용하다. 물론, 금속 층은 또한 CMOS 호환성이 되도록 선택된 재료, 예를 들면 알루미늄으로 제조된다.
제안된 필터 시스템의 본질적 피쳐(feature)는 대역저지 필터가 전체 시스템에서 하나의 파장 측으로부터, 즉 짧은 파장 측 또는 긴 파장 측으로부터 시작하여, 대역통과 필터의 통과-대역폭을 제한하는 것이다. 이러한 방식으로, 필터 시스템의 더 작은 통과-밴드폭이 달성된다. 모든 필터가 일정한 두께를 가지는(구조화되기 전 상태에서) 구조화된 층의 형태로 형성될 수 있으며, 제안된 필터 시스템은 광 센서를 제조하기 위한 반도체 프로세스에서 용이하게 통합될 수 있다. 두 개의 필터의 조합된 효과를 통하여 달성가능한 좁은 통과-밴드폭 및 제조 프로세스 동안 용이하게 변화되는 필터 파장을 위한 성능은 필터 또는 상이한 협소함의 통과-대역 특성과의 필터 조합이 가장 작은 가능한 공간 내에서 측방향으로 배열되는 것이 가능하다.
제안된 필터 시스템의 바람직한 변형에서, 이에 따라, 대역통과 필터 및 대역저지 필터의 복수의 조합은 또한 기판 또는 캐리어 상에 나란히 배열되며, 적어도 일부의 조합은 상이한 파장 통과-대역 범위, 특히 상호 오프셋된 중앙 파장을 가진다. 이러한 방식으로, 다중의 좁은 대역 칼라 채널을 구비한 광 센서는 매우 작은 공간으로 생성될 수 있다.
좁은 대역 광 대역통과 필터 시스템은 센서 기술 및 분광학에서 매우 중요하다. CMOS 광다이오드의 어레이 상에 10개 또는 11개 이상의 이 같은 필터 시스템의 배열은 칩-크기의 분광계의 제조를 가능하게 한다. 제안된 필터 시스템이 영상화 센서를 위해 사용되는 경우, 필터 휠과 같은 임의의 기계적인 이동 부분 없이 예를 들면 16개의 파장을 위한, 다중 스페트럼 카메라를 제조하는 것이 가능하다. 심지어 몇 개의 채널이 사용되는 경우, 적용 분야, 예를 들면 해석학은 종종 제안된 필터 시스템이 제공되는 좁은 대역 광 대역통과 필터를 요구한다. 광 필터 시스템은 가스, 액체 또는 직물의 분석을 위한 소형화된 다중 스펙트럼 센서/미니(mini)-분광계에 대해 그리고 다중 스펙트럼 카메라에서, 예를 들면 빌딩 및 LCD 후면광과 같은, 다수의 조명 상황에 대한 LED의 모니터링 및 제어, 인쇄 프로세스에서의 잉크의 모니터링 및 제어의 분야에 적용되는 국부적 분해 스펙트럼 습득을 위해 사용가능하다.
제안된 필터 시스템에서 사용되는 나노구조화된 금속 층으로 제조된 필터는 예를 들면 옵티웨이브 코포레이션(Optiwave Corporation)에 의해 제조된 OptiFDTD와 같은 상업적으로 입수가능한 소프트웨어를 이용하여 또는 컴퓨터 피직스 커뮤니케이션 181호, 687 내지 702쪽 (2010)의 "MEEP: FDTD 방법에 의한 전자기 시뮬레이션에 대한 가요성의 무료 소프트웨어 패키지"에서 A. F. Oskooi 등에 의해 설명된 소프트웨어와 같은 자유롭게 이용가능한 소프트웨어를 이용하여 적절하게 치수화될 수 있다. 원하는 필터링 효과 및 대역저지 효과를 생성하기 위해 필요한 직경뿐만 아니라 정육면체 또는 실린더와 같은 개구 또는 상승된 영역 사이의 거리는 이 같은 프로그램을 이용하여 결정될 수 있다. 금속 층에서의 구조화는 이어서 사진 석판술 및 후속 에칭 기술에 의해 공지된 방식으로 수행된다.
제안된 광 필터 시스템은 본 발명의 실시예를 참조하고 도면과 관련하여 아래에서 다시 설명될 것이다.
도 1은 EOT 대역통과 필터의 통과-대역 범위의 일 예이며,
도 2는 나노구조화된 금속 층을 기반으로 광 대역저지 필터의 파장-종속 투과율의 일 예를 보여주며,
도 3은 제안된 광 필터 시스템의 통과-대역 범위의 일 예를 보여주며,
도 4는 두 개의 동일한 EOT 대역통과 필터의 조합의 통과-대역 범위 및 도 1에 따른 EOT 대역통과 필터의 통과-대역 범위 및 제안된 광 필터 시스템의 통과-대역 범위 사이의 비교를 보여주며,
도 5는 EOT 대역통과 필터 및 대역저지 필터로부터 제안된 필터 시스템의 예시적인 구성을 보여주며, 각각이 나노구조화된 금속 층으로 제조된다.
도 1은 나노개구의 어레이(홀 어레이)를 가지는 금속 층에 의해 형성된 광 대역통과 필터의 파장-종속 투과의 시뮬레이션(simulation)을 보여준다. 대역통과 필터는 670 nm에서 약 50%의 투과율 및 약 113 nm의 반치전폭(FWHM)을 가진다. 이전에 수행된 최적화에도 불구하고, 이 같은 필터의 필터 대역폭은 추가로 감소될 수 있다. 이러한 실시예에서 관련된 파장 범위는 350 내지 1100 nm이며, 제안된 필터 시스템 내의 이 같은 필터의 금속 층의 두께는 130 nm 내지 270 nm 범위 내에 있다. 전형적인 홀 직경은 100 내지 300 nm이며, 홀 패턴의 주기는 200 내지 600 nm이다. 이러한 필터의 구조물의 개략적인 평면도는 도면의 상부 우측 부분에 도시된다.
도 2는 금속 층 내의 금속 실린더의 주기적 배열(아일랜드 어레이)에 의해 형성된 금속 층에 의해 형성된 광 대역저지 필터의 시뮬레이션을 보여준다. 약 630 nm의 파장 위에, 스펙트럼 곡선은 밴드저지 필터 특성을 보여준다. 이러한 경우 또한, 이러한 필터의 구조물의 평면도는 도면의 상부 우측 부분에 도시된다. 이러한 종류의 필터에서, 실린더는 100 내지 300 nm의 통상적인 직경을 가지며, 제안된 필터 시스템에서 약 30 내지 170 nm의 높이를 가진다.
여기서 제안된 광 필터 시스템의 기본적 아이디어는 도 2에 도시된 바와 같이, 중앙 파장에 대해 약간 오프셋된 대역저지 필터와 태역통과 필터를 조합함으로써 도 1에 도시된 바와 같이 상대적으로 큰 스펙트럼 대역폭을 가지는 대역통과 필터의 스펙트럼 대역폭을 감소하는 것으로 이루어지며, 두 개의 필터 층의 층 두께를 다양하게 선택함으로써 필터 시스템의 결과적인 중앙 파장에 대해 고 투과율을 달성하는 것이 가능하다. 이러한 두 개의 필터 타입의 조합은 도 3에 도시된다. T1(λ)는 도 1의 넓은 대역통과 필터의 투과율 곡선을 보여준다. T2(λ)는 도 2의 대역저지 필터의 투과율 곡선을 보여준다. 결과적인 생산 함수(production function) T1(λ) x T2(λ)는 제안된 필터 시스템의 투과율 곡선 또는 파장 통과-대역 범위에 대응한다.
대역통과 및 대역저지 필터들 사이의 거리가 각각의 에바네슨트 필드(evanescent field)의 크기보다 더 큰 경우, 예를 들면 200 nm 보다 큰 경우, 두 개의 필터 구조물의 필드 분포가 결합되지 않으며, 결과적인 필터 특성은 설명된 생산 함수 T1(λ) x T2(λ)에 거의 근접된다. 두 개의 필터 층들 사이의 작은 거리는 어쨌든 기술적 이유 때문에 필요하다. 그러나, 심지어 두 개의 나노구조물의 필드 커플링과의 작은 거리는 유사한 필드 특성을 초래하며, 필드 특성의 정밀한 거동은 두 개의 층 배열의 시뮬레이션에 의해 또한 최적화될 수 있다. 앞에서 표시된 거리는 따라서 제안된 광 필터 시스템의 기능을 보장하는 것이 절대적으로 필요하지는 않다.
도 3은 두 개의 필터를 조합함으로써 얻어진 광 필터 시스템이 도 1의 대역통과 필터의 반치전폭보다 상당히 더 작은 반치전폭을 가진다. 이를 위해, 도 4는 도 1의 파장-종속 투과율 T1(λ), 두 개의 동일한 대역통과 필터의 캐스케이드(cascade)에서의 파장-독립 투과율 T1(λ) x T2(λ)과 도 3의 제안된 필터 시스템의 파장-종속 투과율 사이의 비교를 보여준다. 47 nm의 값으로, 반치전폭(FWHM)은 113 nm를 가진 도 1의 대역통과 필터에 비해 상당히 감소되고 93 nm의 FWHM을 가진 캐시케이드식 두 단계 대여통과 필터 배열체에 비해 2배 만큼 감소된다. 30%에서, 최대 투과율은 또한 25%를 구비한 케스케이드식 배열체에 대한 것보다 약간 더 높다.
도 5는 광다이오드의 상부에서 제안된 필터 시스템의 구조물의 매우 개략적인 예를 보여준다. 도면은 하나의 배열체의 섹션만을 보여주며, 이 섹션에서 다중 광다이오드는 기판 내에서 나란히 구성되며, 이 섹션 상에 이어서 대응하는 필터 시스템이 구성된다. 이 같은 경우, 광 필터 시스템은 복수의 필터 또는 나란히 배열된 필터 조합을 가지며, 각각의 경우 하나의 필터 조합은 광다이오드 위에 위치된다. 상이한 여과 특성은 바람직하게는 필터를 위한 상이한 구조물을 실현함으로써 복수의 필터 조합체로 부여한다. 이러한 예에서 각각의 광다이오드는 p-도핑 반도체 기판(1) 내의 n-도핑 웰(2)에 의해 형성된다. 유전체 중간 층(3) 및 금속 층(4)은 이의 상부 위에 증착되고, 금속 층에서 대응하는 원하는 필터링 특성을 구비한 나노개구(5)가 형성된다. 부가 유전체 중간 층(6)은 이어서 이러한 대역통과 필터 상에 증착되고 부가 유전체 중간 층이 먼저 구조화된 금속 층(4)에 의해 형성되고, 제 2 금속 층(7)은 이어서 이의 상부에 증착된다. 제 2 금속 층(7)은 제 1 금속 층(4) 보다 작은 층 두께를 가지며, 제 2 금속 층은 대역통과 필터를 형성하며, 원하는 대역저지 필터를 형성하도록 구조화되며, 원통형 또는 직육면체 구조물(8)이 의도된 필터링 특성에 따라 원하는 측방향 크기 및 거리로 발생된다. 전기 중간 층(3, 6)은 예를 들면 이산화규소(SiO2)일 수 있다. 광다이오드의 p- 및 n-필드의 전기 접촉부는 도면에 도시되지 않는다. 전기 접촉부는 보통 개별 층을 통하여 적절한 관통-연결에 의해 형성된다. 물론, 구성요소의 각각의 기능에 대해 요구되는 것과 같은, 부가 CMOS 프로세스 층은 또한 제 2 금속 층(7) 위에 제 1 금속 층(4) 아래 그리고 이들 두 개의 금속 층들 사이에 위치될 수 있다.
1 p-도핑 반도체 기판
2 n-도핑 웰
3 유전체 증간 층
4 대역통과 필터용 제 1 금속 층
5 나노개구
6 유전체 중간 층
7 대역저지 필터용 제 2 금속 층
8 원통형 또는 직육면체 나노 구조물

Claims (9)

  1. 제 1 층 두께를 가지는 제 1 나노구조화된 금속 층(4)을 포함하는 대역통과 필터와 제 2 층 두께를 가지는 제 2 나노구조화된 금속 층(7)을 포함하는 대역저지 필터의 하나 이상의 조합체를 가지며,
    상기 대역통과 필터 및 상기 대역저지 필터는 앞뒤로 배열되고, 상기 제 1 나노구조화된 금속 층(4)은 홀 어레이(5)를 형성하고 상기 제 2 나노구조화된 금속 층(7)은 아일랜드 배열체(8)를 형성하며,
    상기 대역저지 필터가 상기 대역통과 필터의 통과-대역 폭과 부분적으로 중복하는 인접 파장 범위를 차단하는 방식으로 상기 밴드저지 필터는 상기 밴드통과 필터로 향하게 하며,
    상기 제 1 및 제 2 층 두께는 서로 다르며, 상기 제 1 층 두께는 150 nm 내지 250 nm 사이로 선택되고, 상기 제 2 층 두께는 50 nm 내지 150 nm로 선택되는,
    광 필터 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 대역통과 필터와 상기 대역저지 필터의 다수의 조합체가 나란히 배치되는,
    광 필터 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 조합체의 적어도 일부가 상이한 파장 대역통과 범위를 가지는,
    광 필터 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필터 각각은 측방향 크기가 5mm 이하인,
    광 필터 시스템.
  5. 파장-선택 탐지를 위한 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 필터 시스템을 가지는,
    광 센서.
  6. 파장-선택 탐지를 위한 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 필터 시스템을 가지는,
    분광계.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
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