KR101725768B1 - Fabrication method and apparatus for optical device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수 나노미터 수준의 정밀도로 광학소자를 제작할 수 있는 광학소자 제작방법 및 제작장치에 관한 것으로, 전자빔에 의해 휘발성 부분과 비휘발성 부분으로 분해되는 유기 전구체를 진공챔버에 도입하고 기판에 전자빔을 조사함으로써 분해된 비휘발성 부분이 기판에 증착되어 광학소자를 형성하도록 하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 제작방법 및 제작장치에 따르면, 수 나노미터 수준의 정밀도로 광학소자를 제작할 수 있고, 평평하지 않은 기판에도 광학소자를 형성할 수 있으며, 복잡한 3차원 구조의 광학소자를 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 구조 튜닝이 가능한 효과가 있다.The present invention relates to a method and an apparatus for manufacturing an optical element capable of producing an optical element with a precision of several nanometers. An organic precursor decomposed into a volatile portion and a non-volatile portion by an electron beam is introduced into a vacuum chamber, And the decomposed nonvolatile portion is deposited on the substrate to form an optical element. According to the manufacturing method and apparatus of the present invention, an optical element can be manufactured with a precision of several nanometers, an optical element can be formed on a non-flat substrate, and a complex three-dimensional optical element can be formed In addition, there is an effect that structure tuning can be done.
Description
본 발명은 광학소자 제작방법 및 제작장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 전자빔 조사에 의해 유기 전구체가 분해되는 것을 이용하여 광학소자를 제작하는 방법 및 그 제작장치에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method and an apparatus for manufacturing an optical element, and more specifically, to a method and apparatus for manufacturing an optical element by using an organic precursor decomposed by electron beam irradiation.
정보의 대용량화, 초고속화가 요구됨에 따라 전자 대신 광을 이용하는 광기술이 주목 받고 있다. 광기술이 실용화되기 위해서는 광을 효율적으로 제어할 수 있는 기술이 요구되는데, 광결정(photonic crystal)의 발명 및 지속적인 공정기술의 발달로 인해 광의 파장범위 수준의 크기를 갖는 작은 광학소자들을 제작하는 것이 가능해짐에 따라 광기술의 실용화가 가시화되고 있다.BACKGROUND ART [0002] As information capacity and super-speeding are required, optical technology using light instead of electrons has received attention. In order for photonics to be put to practical use, a technique for efficiently controlling light is required. Due to the invention of photonic crystal and the development of continuous process technology, it becomes possible to produce small optical elements having a wavelength range level of light. The practical use of optical technology has become visible.
현재 광학소자를 제작하는 방법으로는 반도체 등 전자소자 제작에 일반적으로 사용되는 리소그래피(lithography) 기반의 제작방법이 사용되고 있다. 리소그래피 기반의 종래기술은 광학소자의 소재가 되는 막을 기판 위에 증착하고, 그 위에 포토레지스트(photoresist)를 도포한 다음, 감광 및 현상 공정을 통해 포토레지스트 패턴을 형성하고, 이를 마스크로 하여 막을 선택적으로 식각하는 복잡한 과정을 거쳐 광학소자를 제작하는 기술이다.Currently, lithography-based fabrication methods commonly used in the fabrication of electronic devices such as semiconductors are being used to produce optical devices. In the prior art based on lithography, a film to be a material of an optical element is deposited on a substrate, a photoresist is coated thereon, a photoresist pattern is formed through a photoresist and a development process, and the film is selectively It is a technology to make an optical element through a complex process of etching.
리소그래피 기반 기술이 발달함에 따라 수백 나노미터 이하 크기의 광학소자를 제작하는 것이 가능해졌으나, 리소그래피 기반 기술은 기본적으로 공정이 복잡할 뿐만 아니라 수 나노미터 수준의 정밀한 소자제작이 어렵다는 한계가 있다. 즉 광학소자는 그 형상 및 크기에 따라 소자와 상호작용하는 광의 파장이 민감하게 변하기 때문에 설계한 대로의 특성을 얻기 위해서는 수 나노미터 이하 수준의 정밀도가 요구되는데, 이러한 정밀도는 리소그래피 기반 기술로는 달성하기 어렵다.As the lithography-based technology has developed, it has become possible to manufacture optical elements of a size of several hundreds of nanometers or less. However, lithography-based techniques are basically complicated in the process and have difficulty in manufacturing precise devices of several nanometers. In other words, since the wavelength of the light interacting with the device changes sensitively according to the shape and size of the optical element, a precision of several nanometers or less is required in order to obtain the characteristics as designed. Such precision is achieved with lithography- It is difficult to do.
또한, 리소그래피 기반 기술은 그 공정 특성상 포토레지스트의 균일한 도포가 가능한 평평한 기판에만 사용이 가능하다는 단점이 있으며, 복잡한 3차원 구조의 광학소자 제작이 불가능하다는 한계가 있다. 또한 종래기술로는 일단 제작된 광학소자에 다른 구조를 덧붙이는 등 광학소자의 구조 튜닝이 어렵다는 문제가 있다.In addition, the lithography-based technique has a disadvantage in that it can be used only on a flat substrate which can uniformly apply a photoresist in view of its process characteristics, and there is a limitation in that it is impossible to manufacture an optical element having a complicated three-dimensional structure. Further, in the related art, there is a problem that it is difficult to tune the structure of the optical element, such as adding another structure to the optical element once fabricated.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 수 나노미터 이하 수준의 정밀도로 제작이 가능한 광학소자 제작방법 및 제작장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide an optical element manufacturing method and apparatus which can be manufactured with a precision of several nanometers or less.
또한, 본 발명은 기판의 형태에 관계없이 광학소자를 제작하는 것이 가능한 광학소자 제작방법 및 제작장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.It is still another object of the present invention to provide an optical element manufacturing method and apparatus capable of manufacturing an optical element regardless of the form of the substrate.
또한, 본 발명은 간단한 방법으로 복잡한 3차원 구조로 제작이 가능한 광학소자 제작방법 및 제작장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.It is still another object of the present invention to provide an optical element manufacturing method and apparatus capable of manufacturing a complex three-dimensional structure by a simple method.
또한, 본 발명은 제작 후 구조 튜닝이 용이한 광학소자 제작방법 및 제작장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.It is still another object of the present invention to provide an optical element manufacturing method and apparatus that can easily perform structure tuning after fabrication.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 광학소자 제작방법은, 진공 챔버 내에 기판을 배치하고 진공을 형성하는 단계, 상기 진공 챔버 내에 유기 전구체를 도입하는 단계 및 상기 기판 상의 광학소자 형성 위치에 전자빔을 조사하는 단계를 포함하고, 상기 전자빔에 의해 상기 유기 전구체가 휘발성 부분과 비휘발성 부분으로 분해되며, 상기 분해된 비휘발성 부분이 상기 기판에 증착되어 광학소자를 형성하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an optical element fabrication method including forming a substrate in a vacuum chamber and forming a vacuum, introducing an organic precursor into the vacuum chamber, Wherein the organic precursor is decomposed into a volatile portion and a non-volatile portion by the electron beam, and the decomposed non-volatile portion is deposited on the substrate to form an optical element .
여기서 상기 광학소자는 특정 파장의 가시광을 산란시키는 광학 안테나일 수 있고, 상기 기판은 평평하지 않은 것일 수 있으며, 상기 광학소자는 3차원 구조를 갖는 것일 수 있다.Here, the optical element may be an optical antenna that scatters visible light of a specific wavelength, the substrate may be non-flat, and the optical element may have a three-dimensional structure.
또한, 상기 전자빔은 전자빔 소스에 의해 조사되고, 상기 전자빔 소스는 전자빔 조사 위치 또는 방향이 변경되도록 이동 가능할 수 있다. 이때 전자빔 소스는 기판에 평행한 방향으로 이동 가능하거나, 기판에 수직한 축 또는 기판에 평행한 축을 중심으로 회전 가능할 수 있다.Further, the electron beam may be irradiated by an electron beam source, and the electron beam source may be movable to change an electron beam irradiation position or direction. The electron beam source may be movable in a direction parallel to the substrate, or may be rotatable about an axis perpendicular to the substrate or an axis parallel to the substrate.
또한, 전자빔은 복수의 전자빔 소스에 의해 조사될 수 있다.
Further, the electron beam can be irradiated by a plurality of electron beam sources.
본 발명의 다른 측면에 따른 광학소자는, 위의 제작방법에 의해 제작된 광학소자로서 3차원 구조를 갖는 광학소자인 것을 특징으로 한다.
An optical element according to another aspect of the present invention is an optical element manufactured by the above manufacturing method and is an optical element having a three-dimensional structure.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 광학소자 제작장치는, 진공챔버, 상기 진공챔버 내에 유기 전구체를 도입하기 위한 유기 전구체 도입기구, 상기 진공챔버 내에 전자빔을 조사하기 위한 전자빔 소스를 포함하고, 상기 전자빔에 의해 상기 유기 전구체가 휘발성 부분과 비휘발성 부분으로 분해되고 상기 비휘발성 부분이 기판에 증착되어 광학소자를 형성하는 것을 특징으로 한다. 여기서 상기 전자빔 조사 위치 또는 방향을 변경하기 위한 전자빔 소스 구동장치를 더 포함할 수 있다.An optical element manufacturing apparatus according to another aspect of the present invention includes a vacuum chamber, an organic precursor introduction mechanism for introducing an organic precursor into the vacuum chamber, and an electron beam source for irradiating an electron beam in the vacuum chamber, Wherein the organic precursor is decomposed into a volatile portion and a non-volatile portion, and the non-volatile portion is deposited on the substrate to form an optical element. Wherein the electron beam source driving device for changing the electron beam irradiation position or direction may further comprise an electron beam source driving device.
본 발명에 따른 제작방법 및 제작장치에 의하면, 수 나노미터 이하 수준의 정밀도로 광학소자를 제작할 수 있는 효과가 있다.According to the manufacturing method and the manufacturing apparatus of the present invention, an optical element can be manufactured with a precision of several nanometers or less.
또한 본 발명에 따른 제작방법 및 제작장치에 의하면, 기판의 형태에 관계없이 광학소자를 제작하는 것이 가능한 효과가 있다.Further, according to the manufacturing method and the manufacturing apparatus according to the present invention, it is possible to produce an optical element regardless of the shape of the substrate.
또한 본 발명에 따른 제작방법 및 제작장치에 의하면, 간단한 방법으로 복잡한 3차원 구조의 광학소자를 제작하는 것이 가능한 효과가 있다.Further, according to the manufacturing method and apparatus of the present invention, it is possible to produce an optical element having a complicated three-dimensional structure by a simple method.
또한 본 발명에 따른 제작방법 및 제작장치에 의하면, 광학소자 제작 후 구조 튜닝이 용이한 효과가 있다.Further, according to the manufacturing method and the manufacturing apparatus according to the present invention, it is easy to tune the structure after manufacturing the optical element.
도 1은 유기 전구체 기체 분자가 전자빔에 의해 휘발성 부분과 비휘발성 부분으로 분해되는 현상을 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 광학소자 제작방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따른 광학소자 제작방법 및 제작장치의 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따라 제작된 나노 안테나 구조의 전자현미경 사진이다.
도 5는 본 발명에 따라 제작된 나노 안테나 구조의 광학적 특성을 측정하는 암시야 분광법의 개략도이다.
도 6은 다양한 높이의 나노 안테나 구조에 의해 산란된 광의 스펙트럼이다.
도 7은 다양한 높이의 나노 안테나 구조에 의해 산란된 광의 CCD 이미지이다.
도 8은 본 발명에 따른 제작방법에 따라 제작된 다양한 나노 구조물에 대한 전자현미경 사진이다.1 is a conceptual diagram showing a phenomenon that an organic precursor gas molecule is decomposed into a volatile portion and a non-volatile portion by an electron beam.
2 is a flowchart of a method of manufacturing an optical element according to the present invention.
3 is a conceptual diagram of an optical element manufacturing method and apparatus according to the present invention.
4 is an electron micrograph of a nano-antenna structure fabricated according to the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram of a dark-field spectroscopy method for measuring optical characteristics of a nanotube structure fabricated in accordance with the present invention.
6 is a spectrum of light scattered by a nanotanna structure of various heights.
Figure 7 is a CCD image of light scattered by a nanotenna structure of various heights.
8 is an electron micrograph of various nanostructures produced according to the method of the present invention.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 한정되거나 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 다양한 실시예들을 설명함에 있어, 대응되는 구성요소에 대해서는 동일한 명칭 및 동일한 참조부호를 부여하여 설명하도록 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to or limited by the embodiments. In describing the various embodiments of the present invention, corresponding elements are denoted by the same names and the same reference numerals.
본 발명에서 광학소자라는 용어는 빛의 형태나 특성을 제어하여 사용자가 원하는 기능을 발현하는 장치를 의미하는 것이며, 특정 소자로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 본 발명의 광학소자는 광학안테나, 레이저, 광 다이오드, 광학 탐침 등 다양한 소자 중 하나를 의미하는 것일 수 있다.
The term " optical element " in the present invention refers to an apparatus that controls a shape or characteristic of light to express a function desired by a user, and is not limited to a specific element. For example, the optical element of the present invention may be one of various devices such as an optical antenna, a laser, a photodiode, and an optical probe.
본 발명은 유기 전구체(organic precursor)에 전자빔(electron beam)을 조사하여 유기 전구체가 휘발성 부분과 비휘발성 부분으로 분해되면서 비휘발성 부분이 전자빔이 조사되는 기판 상에 증착되도록 하는 것을 특징으로 한다. 도 1은 유기 전구체 기체 분자가 전자빔에 의해 휘발성 부분과 비휘발성 부분으로 분해되는 현상을 나타낸 개념도이다. 본 발명에서 유기 전구체 물질은 기판에 형성하고자 하는 광학소자를 이루는 소재를 포함하는 물질로, 목적하는 광학소자의 소재에 따라 자유롭게 선택할 수 있다. 예를 들어 백금(Pt)으로 광학소자를 제작하고자 할 경우에는 백금 전구체인 메틸사이클로펜타디에닐 트리메틸 백금{(CH3)3(CH3C5H4)Pt}을 사용할 수 있다.The present invention is characterized in that an organic precursor is irradiated with an electron beam so that an organic precursor is decomposed into a volatile portion and a non-volatile portion, and a non-volatile portion is deposited on a substrate to which an electron beam is irradiated. 1 is a conceptual diagram showing a phenomenon that an organic precursor gas molecule is decomposed into a volatile portion and a non-volatile portion by an electron beam. In the present invention, the organic precursor material is a material including a material forming an optical element to be formed on a substrate, and can be freely selected depending on the material of the desired optical element. For example, when an optical element is to be made of platinum (Pt), methylcyclopentadienyltrimethylplatinum {(CH 3 ) 3 (CH 3 C 5 H 4 ) Pt} which is a platinum precursor can be used.
또한 전자빔의 가속 전압은 유기 전구체가 휘발성 부분과 비휘발성 부분으로 분해되기에 충분한 크기로 조사할 수 있다. 사용되는 유기 전구체 물질이나 제작하고자 하는 광학소자의 구조에 따라 구체적인 수치는 달라질 수 있으나, 전자빔의 가속 전압은 수십 keV 이상일 수 있다.Also, the acceleration voltage of the electron beam can be irradiated to a sufficient magnitude to decompose the organic precursor into volatile and nonvolatile portions. The specific numerical values may vary depending on the structure of the organic precursor material to be used and the optical device to be manufactured, but the acceleration voltage of the electron beam may be several tens keV or more.
도 2는 본 발명에 따른 광학소자 제작방법의 흐름도이며, 도 3은 본 발명에 따른 광학소자 제작방법 및 제작장치의 개념도이다. 도 2 및 도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 광학소자 제작방법은, 기판 제공 및 진공 형성 단계(S10), 유기 전구체를 도입하는 단계(S20) 및 광학소자 형성 위치에 전자빔을 조사하는 단계(S30)을 포함할 수 있다. FIG. 2 is a flow chart of a method of manufacturing an optical element according to the present invention, and FIG. 3 is a conceptual diagram of a method of manufacturing an optical element and a manufacturing apparatus according to the present invention. 2 and 3, the method for fabricating an optical element according to the present invention includes the steps of providing a substrate and forming a vacuum (S10), introducing an organic precursor (S20), and irradiating an electron beam Step S30 may be included.
각 단계에 대해 구체적으로 설명하면, 기판 제공 및 진공 형성 단계(S10)는 광학소자(100)를 형성하고자 하는 기판(110)을 진공챔버(미도시) 내에 배치하고 진공을 형성하는 단계이다. 진공챔버 내에는 기판을 지지하기 위한 지지대가 구비되어 있을 수 있고, 진공 형성을 위한 진공펌프 및 배기통로가 구비되어 있을 수 있다. 본 발명의 제작방법은 포토레지스트를 도포하는 등의 방식이 아니라 전자빔(300)이 주사되는 위치에 광학소자(100)가 형성되는 특성을 이용하는 것이므로 기판(110)은 반드시 평평한 기판일 필요는 없다. 본 발명에서 사용되는 진공도는 전자현미경 등 전자빔을 사용하는 장치에서 통상 사용하는 진공 범위를 사용할 수 있으며, 그 수치를 특별히 한정하는 것은 아니다. 다만 일정 이상 에너지의 전자빔(300)이 기판(110)에 입사되고 제작되는 광학소자(100)에 불순물이 포함되는 현상을 최소화하기 위해서는 가급적 고진공인 것이 바람직하다.Specifically, the substrate providing and vacuum forming step S10 is a step of disposing the
S20 단계는 기판(110)에 유기 전구체를 도입하는 단계로, 유기 전구체는 광학소자의 소재가 되는 물질을 포함하는 전구체로서 전자빔(300)에 의해 휘발성 부분과 비휘발성 부분으로 분해될 수 있는 전구체이다. 예를 들어, 백금(Pt)으로 광학소자를 제작하고자 할 경우에는 백금 전구체인 메틸사이클로펜타디에닐 트리메틸 백금{(CH3)3(CH3C5H4)Pt}을 유기 전구체로 사용할 수 있다. 본 발명에 따른 제작방법에 의하면 유기 전구체 물질에 따라 기판(110)에 증착되는 물질도 달라지므로, 유기 전구체를 적절히 선택함으로써 다양한 유전체 또는 금속 재질의 광학소자를 제작할 수 있다. 유기 전구체는 노즐(200)을 통해 진공챔버 내에 도입될 수 있으며, 샤워헤드 등 다른 유기 전구체 도입기구를 사용할 수 있다. 유기 전구체는 기체 상태로 도입하는 것이 바람직하며, 기화가 어려운 전구체 물질인 경우 버블러(bubbler)를 사용하여 도입할 수도 있다.Step S20 is a step of introducing an organic precursor to the
S30 단계는 광학소자(100)를 형성하고자 하는 위치에 전자빔(300)을 조사하는 단계이다. 전자빔(300) 조사를 위해서는 전자총 등 전자현미경 등에서 사용되는 전자빔 소스(미도시)가 사용될 수 있다. 도 3에 도시된 것처럼, 기판(110)의 소정 영역에 전자빔(300)이 조사되면, 그 영역으로 흘러 들어온 유기 전구체 분자(210)는 전자빔(300)의 에너지에 의해 휘발성 분자와 비휘발성 분자로 분해된다. 분해된 휘발성 분자는 진공챔버에 구비된 배기통로를 통해 배기되고, 비휘발성 분자는 기판(110)의 전자빔(300)이 조사되는 영역에 증착되어 광학소자(100)를 구성하게 된다. 이때 전자빔(300)은 통상 수 나노미터 수준의 공간분해능을 가지고 있으므로, 원하는 크기의 광학소자(100)를 형성하기 위해서는 구동장치에 의해 전자빔 소스를 움직이면서 광학소자(100)를 형성하고자 하는 기판(110) 상의 면적에 모두 전자빔(300)이 조사되도록 할 필요가 있다.Step S30 is a step of irradiating the
한편 전자빔 소스를 움직이면서 기판 상의 여러 영역에 전자빔을 조사하되, 각 영역에 전자빔이 조사되는 시간을 다르게 하면 각 영역에 형성되는 구조의 높이가 다른 3차원 구조를 쉽게 형성할 수 있다. 이러한 3차원 구조는 종래의 리소그래피 기반 기술에 의해서는 쉽게 형성할 수 없는 구조이다. 본 발명에 의하면 단순히 각 영역에서의 높이가 다른 3차원 구조뿐만 아니라 더 복잡한 3차원 구조를 형성할 수도 있으며, 따라서 본 발명에서 3차원 구조란 높이 방향으로 단면 형상이 동일하지 않은 구조를 통칭하는 넓은 의미로 이해하여야 한다.Meanwhile, the electron beam is irradiated to various regions on the substrate while moving the electron beam source. If the electron beam is irradiated to each region at different times, a three-dimensional structure having different heights of structures formed in the respective regions can be easily formed. Such a three-dimensional structure is a structure that can not be easily formed by conventional lithography-based techniques. According to the present invention, not only a three-dimensional structure having a different height in each region but also a more complex three-dimensional structure may be formed. Therefore, in the present invention, a three-dimensional structure is a wide It should be understood as meaning.
도 3에는 전자빔(300)이 기판(110) 표면에 평행한 전 방향으로 움직이는 것으로 도시하였으나, 전자빔(300)의 구동 방향은 더 다양할 수 있다. 예를 들어 도 3과 같이 전자빔(300)을 기판(110) 표면에 수직한 방향으로 조사하여 기판(110)의 특정 위치에 높이 방향으로 성장된 나노 구조체를 형성한 다음, 전자빔(300)의 주사 방향을 기판(110)의 표면에 수직한 방향과 소정의 각도로 경사진 방향으로 바꾸어 구조체의 성장 방향을 변경할 수도 있다. 이러한 방법은 복잡한 3차원 구조의 광학소자를 형성하는데 유용하게 사용될 수 있다. 이를 위해 전자빔 소스를 구동하는 구동장치는 전자빔 소스를 x, y, z 방향으로 자유롭게 구동할 수 있도록 함은 물론이고 기판에 수직한 축 및/또는 기판에 평행한 축을 중심으로 회전 자유롭게 구동할 수 있도록 형성할 수 있다. 이러한 구동장치는 기계, 장치 분야에서 사용되는 일반적인 구동장치를 채용할 수 있으므로, 그 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또는 챔버 내의 원하는 위치에 자유롭게 전자빔이 조사될 수 있도록 복수의 전자빔 소스를 구비할 수도 있다. 전자빔 소스의 수를 증가시킬 경우 구동장치를 좀더 단순화할 수 있다.Although the
한편 도 2의 흐름도는 반드시 시계열적인 흐름을 의미하는 것은 아니며, 예를 들어 S30 단계가 S20 단계보다 먼저 수행되거나 동시에 수행될 수도 있다. Meanwhile, the flow chart of FIG. 2 does not necessarily mean a time series flow. For example, step S30 may be performed earlier than step S20 or may be performed simultaneously.
광학소자는 그 크기에 따라 소자와 상호작용하는 광의 파장이 민감하게 변하므로, 수 나노미터 수준의 공간분해능을 가진 전자빔이 조사되는 부분에 증착이 이루어지는 본 발명에 따른 제작방법 및 제작장치에 의하면 원하는 특성을 갖는 광학소자를 수 나노미터 수준의 정밀도로 제작할 수 있다. 또한, 전자빔의 전류, 조사 시간, 가속 전압 등 조절 가능한 파라미터들을 제어함으로써, 복잡한 3차원 구조의 광학소자도 설계한 대로의 구조로 용이하게 제작할 수 있다. 예를 들어, 전자빔의 가속 전압과 전류를 조정하면 광학 소자를 이루는 물질의 화학조성이나 성장속도를 제어할 수 있고 조사 시간을 달리하면 광학 소자의 크기를 변화시킬 수 있다.According to the manufacturing method and the manufacturing apparatus according to the present invention in which deposition is performed on a portion irradiated with an electron beam having a spatial resolution of several nanometers, since the wavelength of light interacting with the device changes sensitively according to the size of the optical device, An optical element having characteristics can be manufactured with a precision of several nanometers. Further, by controlling the adjustable parameters such as the current of the electron beam, the irradiation time, and the acceleration voltage, the optical element having a complicated three-dimensional structure can be easily manufactured with the structure as designed. For example, by adjusting the acceleration voltage and the current of the electron beam, the chemical composition and growth rate of the material constituting the optical element can be controlled, and the size of the optical element can be changed by changing the irradiation time.
이하 본 발명의 제작방법을 적용한 실시예를 설명한다.
Hereinafter, an embodiment to which the manufacturing method of the present invention is applied will be described.
1. 광학소자 제작1. Optical element fabrication
특정 파장의 가시광선을 효율적으로 산란시킬 수 있는 나노 안테나 구조를 본 발명의 제작방법에 따라 제작하였다. 우선 광학소자의 크기에 따른 산란 특성을 설계하기 위해서는 증착되는 물질의 광학적 물성을 알아야 하므로, 실리콘 기판 위 50㎛ x 50㎛ 사각형 면적에 전자빔을 조사하면서 평평한 사각형 구조의 증착 구조물을 형성하였다. 이때 유기 전구체 물질로는 메틸사이클로펜타디에닐 트리메틸 백금{(CH3)3(CH3C5H4)Pt}을 사용하였다. A nano antenna structure capable of efficiently scattering visible light of a specific wavelength was fabricated according to the fabrication method of the present invention. First, in order to design the scattering characteristics according to the size of the optical element, it is necessary to know the optical properties of the material to be deposited. Therefore, a flat rectangular structure is formed while irradiating the electron beam in a rectangular area of 50 μm × 50 μm on the silicon substrate. At this time, as the organic precursor material was used as the methyl cyclopentadienyl trimethyl platinum {(CH 3) 3 (CH 3 C 5 H 4) Pt}.
증착된 구조물의 광학 상수를 타원법(ellipsometry)을 이용하여 전 가시광 영역 파장에 걸쳐 측정하였으며, 측정된 광학상수를 바탕으로 가시광선을 산란시킬 수 있는 나노 안테나 구조를 설계하였다. 그 다음 실리콘 기판 위에 전자빔의 조사 영역과 시간을 제어하여 설계된 구조대로 다양한 높이를 가진 나노 막대 형태의 나노 안테나 구조를 형성하였다.The optical constants of the deposited structures were measured over ellipsometry over the entire wavelength region of the visible region and the nanowire structure was designed to scatter visible light based on the measured optical constants. Then, nanorod structures of nanorods with various heights were formed by the structure designed by controlling the irradiation region and time of the electron beam on the silicon substrate.
도 4는 이렇게 제작된 나노 안테나 구조의 전자현미경 사진이다. 도 4와 같이 폭 약 200 nm, 길이 약 4,500 nm, 높이 약 250 nm의 긴 막대 형태의 나노 안테나 구조가 설계한대로의 정밀한 크기로 형성되었다.
FIG. 4 is an electron micrograph of the nano antenna structure thus fabricated. As shown in FIG. 4, a long rod-shaped nano-antenna structure having a width of about 200 nm, a length of about 4,500 nm, and a height of about 250 nm was formed in a precise size as designed.
2. 광학소자의 특성2. Characteristics of optical elements
제작된 나노 안테나 구조가 가시광 영역에서 광학적으로 잘 동작하는지 확인하기 위해 암시야 분광(dark-field spectroscopy) 방식을 통해 스펙트럼과 이미지를 관찰하였다. 도 5를 참조하여 구체적으로 설명하면, 제작된 나노 안테나 구조에 백색광을 입사각 70도로 조사한 후 수직한 방향으로 산란되는 광만을 현미경 대물렌즈(Mitutoyo사, SL50)를 통해 선택적으로 집광하여 분광기(Princeton Instruments사, Acton SP2300)로 스펙트럼을 분석하였으며, CCD 카메라(Thorlabs사, DCU223M)를 이용해 산란되는 이미지를 관찰하였다.Spectra and images were observed through dark-field spectroscopy to confirm that the fabricated nano-antenna structure works optically well in the visible region. 5, only the light scattered in the vertical direction after selectively irradiating white light at an incident angle of 70 degrees to the fabricated nano-antenna structure was selectively condensed through a microscope objective lens (Mitutoyo, SL50) (Acton SP2300), and the scattered images were observed using a CCD camera (Thorlabs, DCU223M).
도 6은 다양한 높이의 나노 안테나 구조에 의해 산란된 광의 스펙트럼이다. 나노 안테나 구조의 높이로는 130nm, 170nm, 210nm 및 300nm를 선택하였다. 도 6의 결과와 같이 나노 안테나 구조의 높이에 따라 산란되는 광의 파장이 달라짐을 알 수 있으며, 높이가 높아질수록 장파장의 광을 산란하는 경향성이 나타났다. 6 is a spectrum of light scattered by a nanotanna structure of various heights. 130 nm, 170 nm, 210 nm and 300 nm were selected as heights of the nano antenna structure. As shown in FIG. 6, it can be seen that the wavelength of the scattered light varies depending on the height of the nano-antenna structure, and the higher the height, the more scattering of the light of a long wavelength appears.
도 7은 다양한 높이의 나노 안테나 구조에 의해 산란된 광의 CCD 이미지이다. 나노 안테나 구조의 높이가 130nm에서 300nm까지 변화됨에 따라 산란광의 색, 즉 파장이 변화하는 현상이 관찰되었으며, 도 6의 스펙트럼 결과와 같이 높이 증가에 따라 산란되는 광의 파장도 증가하였다.
Figure 7 is a CCD image of light scattered by a nanotenna structure of various heights. As the height of the nano-antenna structure is changed from 130 nm to 300 nm, the color of the scattered light, that is, the wavelength is changed. As shown in FIG. 6, the wavelength of scattered light increases as the height increases.
3. 다양한 형상의 나노 구조 제작3. Fabrication of various shapes of nanostructure
본 발명의 제작방법에 따라 다양한 형상의 나노 구조물을 제작하였으며, 그 일례를 도 8에 나타내었다. 도 8과 같이, 폭 수십 nm, 높이 수 ㎛의 높은 종횡비(aspect ratio)를 갖는 나노 구조물이나, 블록 형태로 정렬된 판상구조의 3차원 나노 구조물 등을 정교하게 제작하는 것이 가능하였다.
Various shapes of nanostructures were fabricated according to the manufacturing method of the present invention, and an example thereof is shown in FIG. As shown in FIG. 8, it was possible to precisely fabricate nanostructures having a high aspect ratio of several tens of nanometers in width and a height of several micrometers, or three-dimensional nanostructures having a plate-like structure arranged in blocks.
이상의 본 발명에 따른 광학소자 제작방법 및 제작장치에 따르면, 전자빔 조사를 이용하여 광학소자를 제작하므로, 수 나노미터 수준의 정밀도로 광학소자를 제작하는 것이 가능하다. 또한 전자빔이 조사되는 부분에 광학소자가 형성되므로 평평하지 않은 기판에 대해서도 적용이 가능하며, 종래기술로는 제작이 어려운 복잡한 3차원 구조의 광학소자도 설계대로 정밀하게 제작이 가능한 효과가 있다.According to the method and apparatus for manufacturing an optical element according to the present invention, since an optical element is manufactured using electron beam irradiation, it is possible to manufacture an optical element with a precision of several nanometers. In addition, since the optical element is formed in the portion irradiated with the electron beam, it can be applied to a substrate that is not flat, and an optical element having a complicated three-dimensional structure, which is difficult to manufacture by the prior art, can be manufactured precisely as designed.
또한 본 발명에 따르면 일단 제작된 광학소자에 대해서도 필요에 따라 소정 위치에 구조물을 추가하거나 확장하는 등 추후 튜닝이 가능하다. 즉, 종래의 리소그래피 기반 기술에 의하면 예를 들어 설계한 대로의 구조가 정밀하게 구현되지 않은 경우 이를 설계대로 튜닝하거나 다른 구조로 변경하는 것이 불가능한 반면, 본 발명에 따른 제작방법에 의하면 전구체를 주입하면서 원하는 위치에 전자빔을 조사함으로써 구조를 변경하거나 보완하는 등의 구조 튜닝이 용이하게 수행될 수 있다.
Further, according to the present invention, it is possible to further tune the optical element once manufactured by adding or expanding the structure to a predetermined position as necessary. In other words, according to the conventional lithography-based technology, for example, when a structure as designed is not precisely implemented, it is impossible to tune it to a design or change to another structure. On the other hand, according to the manufacturing method according to the present invention, Structure tuning such as changing or supplementing the structure by irradiating the desired position with the electron beam can be easily performed.
이상 한정된 실시예 및 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하다는 점은 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 특허청구범위의 기재 및 그 균등 범위에 의해 정해져야 한다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the scope of protection of the present invention should be determined by the description of the claims and their equivalents.
100: 광학소자
110: 기판
200: 노즐
210: 유기 전구체 분자
300: 전자빔100: optical element
110: substrate
200: nozzle
210: organic precursor molecule
300: electron beam
Claims (11)
상기 진공 챔버 내에 유기 전구체를 도입하는 단계; 및
상기 기판 상의 광학소자 형성 위치에 전자빔을 조사하는 단계;
를 포함하고,
상기 전자빔에 의해 상기 유기 전구체가 휘발성 부분과 비휘발성 부분으로 분해되며,
상기 분해된 비휘발성 부분이 상기 기판에 증착되어 광학소자를 형성하는 것을 특징으로 하며,
상기 광학소자는 특정 파장의 가시광을 산란시키는 광학 안테나인 것을 특징으로 하는 광학소자 제작방법.Disposing a substrate in a vacuum chamber and forming a vacuum;
Introducing an organic precursor into the vacuum chamber; And
Irradiating an electron beam to an optical element formation position on the substrate;
Lt; / RTI >
The organic precursor decomposes into a volatile portion and a non-volatile portion by the electron beam,
Characterized in that the decomposed non-volatile portion is deposited on the substrate to form an optical element,
Wherein the optical element is an optical antenna for scattering visible light of a specific wavelength.
상기 진공 챔버 내에 유기 전구체를 도입하는 단계; 및
상기 기판 상의 광학소자 형성 위치에 전자빔을 조사하는 단계;
를 포함하고,
상기 전자빔에 의해 상기 유기 전구체가 휘발성 부분과 비휘발성 부분으로 분해되며,
상기 분해된 비휘발성 부분이 상기 기판에 증착되어 광학소자를 형성하는 것을 특징으로 하며,
상기 기판은 평평하지 않은 것을 특징으로 하는 광학소자 제작방법.Disposing a substrate in a vacuum chamber and forming a vacuum;
Introducing an organic precursor into the vacuum chamber; And
Irradiating an electron beam to an optical element formation position on the substrate;
Lt; / RTI >
The organic precursor decomposes into a volatile portion and a non-volatile portion by the electron beam,
Characterized in that the decomposed non-volatile portion is deposited on the substrate to form an optical element,
Wherein the substrate is not flat.
상기 진공 챔버 내에 유기 전구체를 도입하는 단계; 및
상기 기판 상의 광학소자 형성 위치에 전자빔을 조사하는 단계;
를 포함하고,
상기 전자빔에 의해 상기 유기 전구체가 휘발성 부분과 비휘발성 부분으로 분해되며,
상기 분해된 비휘발성 부분이 상기 기판에 증착되어 광학소자를 형성하는 것을 특징으로 하며,
상기 전자빔은 전자빔 소스에 의해 조사되고,
상기 전자빔 소스는 전자빔 조사 위치 또는 방향이 변경되도록 이동 가능한 것을 특징으로 하며,
상기 전자빔 소스는 기판에 평행한 방향으로 이동 가능한 것을 특징으로 하는 광학소자 제작방법. Disposing a substrate in a vacuum chamber and forming a vacuum;
Introducing an organic precursor into the vacuum chamber; And
Irradiating an electron beam to an optical element formation position on the substrate;
Lt; / RTI >
The organic precursor decomposes into a volatile portion and a non-volatile portion by the electron beam,
Characterized in that the decomposed non-volatile portion is deposited on the substrate to form an optical element,
The electron beam is irradiated by an electron beam source,
Wherein the electron beam source is movable so as to change an electron beam irradiation position or direction,
Wherein the electron beam source is movable in a direction parallel to the substrate.
상기 진공 챔버 내에 유기 전구체를 도입하는 단계; 및
상기 기판 상의 광학소자 형성 위치에 전자빔을 조사하는 단계;
를 포함하고,
상기 전자빔에 의해 상기 유기 전구체가 휘발성 부분과 비휘발성 부분으로 분해되며,
상기 분해된 비휘발성 부분이 상기 기판에 증착되어 광학소자를 형성하는 것을 특징으로 하며,
상기 전자빔은 전자빔 소스에 의해 조사되고,
상기 전자빔 소스는 전자빔 조사 위치 또는 방향이 변경되도록 이동 가능한 것을 특징으로 하고,
상기 전자빔 소스는 기판에 수직한 축 또는 기판에 평행한 축을 중심으로 회전 가능한 것을 특징으로 하는 광학소자 제작방법. Disposing a substrate in a vacuum chamber and forming a vacuum;
Introducing an organic precursor into the vacuum chamber; And
Irradiating an electron beam to an optical element formation position on the substrate;
Lt; / RTI >
The organic precursor decomposes into a volatile portion and a non-volatile portion by the electron beam,
Characterized in that the decomposed non-volatile portion is deposited on the substrate to form an optical element,
The electron beam is irradiated by an electron beam source,
Wherein the electron beam source is movable so as to change an electron beam irradiation position or direction,
Wherein the electron beam source is rotatable about an axis perpendicular to the substrate or an axis parallel to the substrate.
상기 진공 챔버 내에 유기 전구체를 도입하는 단계; 및
상기 기판 상의 광학소자 형성 위치에 전자빔을 조사하는 단계;
를 포함하고,
상기 전자빔에 의해 상기 유기 전구체가 휘발성 부분과 비휘발성 부분으로 분해되며,
상기 분해된 비휘발성 부분이 상기 기판에 증착되어 광학소자를 형성하는 것을 특징으로 하며,
상기 전자빔은 복수의 전자빔 소스에 의해 조사되는 것을 특징으로 하는 광학소자 제작방법.Disposing a substrate in a vacuum chamber and forming a vacuum;
Introducing an organic precursor into the vacuum chamber; And
Irradiating an electron beam to an optical element formation position on the substrate;
Lt; / RTI >
The organic precursor decomposes into a volatile portion and a non-volatile portion by the electron beam,
Characterized in that the decomposed non-volatile portion is deposited on the substrate to form an optical element,
Wherein the electron beam is irradiated by a plurality of electron beam sources.
상기 진공챔버 내에 유기 전구체를 도입하기 위한 유기 전구체 도입기구;
상기 진공챔버 내에 전자빔을 조사하기 위한 전자빔 소스;
를 포함하고,
상기 전자빔에 의해 상기 유기 전구체가 휘발성 부분과 비휘발성 부분으로 분해되고, 상기 비휘발성 부분이 기판에 증착되어 광학소자를 형성하는 것을 특징으로 하며,
상기 전자빔 소스는 기판에 평행한 방향으로 이동 가능한 것을 특징으로 하는 광학소자 제작장치.A vacuum chamber;
An organic precursor introduction mechanism for introducing an organic precursor into the vacuum chamber;
An electron beam source for irradiating an electron beam into the vacuum chamber;
Lt; / RTI >
Wherein the organic precursor is decomposed into a volatile portion and a non-volatile portion by the electron beam, and the non-volatile portion is deposited on the substrate to form an optical element,
Wherein the electron beam source is movable in a direction parallel to the substrate.
상기 전자빔 조사 위치 또는 방향을 변경하기 위한 전자빔 소스 구동장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학소자 제작장치.11. The method of claim 10,
Further comprising an electron beam source driving device for changing the electron beam irradiation position or direction.
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|---|---|---|---|
| KR1020140172303A KR101725768B1 (en) | 2014-12-03 | 2014-12-03 | Fabrication method and apparatus for optical device |
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