KR102115336B1

KR102115336B1 - 경사 입사 증착을 이용한 선형 편광자 제조 방법 및 이에 의해 제조된 선형 편광자

Info

Publication number: KR102115336B1
Application number: KR1020180092514A
Authority: KR
Inventors: 이강일; 김경수; 최현진; 황보창권; 이민백; 김원영; 황성민; 김민석; 김태영
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2018-08-08
Filing date: 2018-08-08
Publication date: 2020-06-05
Also published as: KR20200017204A

Abstract

본 발명은 선형 편광자의 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조된 선형 편광자 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판을 준비하는 단계, 박막 증착 장비 내부의 상부에 형성된 기판 거치대를 일정 경사각으로 기울이고, 기울어진 기판 거치대에 상기 기판을 설치하는 기판 설치 단계 및 상기 경사각으로 일정 기울어진 기판이 설치된 기판 거치대의 중심에 설치되어 중심을 기준으로 회전가능한 회전축이 설정된 회전 주기에 따라 회전하여 기판에 증착 물질이 증착하여 증착 박막을 형성하는 경사 입사 증착 단계를 통해 식각(etching)이나 다른 방법을 사용하는 것이 아닌 증착만으로 적외선영역의 선형 편광자를 제조할 수 있는 경사 입사 증착을 이용한 선형 편광자 제조 방법 및 이에 의해 제조된 선형 편광자에 관한 것이다.

Description

경사 입사 증착을 이용한 선형 편광자 제조 방법 및 이에 의해 제조된 선형 편광자{PREPARATION METHOD OF WIRE GRID POLARIZER USING OBLIQUE ANGLE DEPOSITION AND WIRE GRID POLARIZER PREPARED THEREBY}

본 발명은 선형 편광자 제조 방법 및 이에 의해 제조된 선형 편광자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판의 기울임 정도, 기판의 회전 방법 및 증착 속도를 조절하여 증착하는 증착박막 두께와 너비를 조절할 수 있고, 증착 공정만으로 적외선영역의 선형 편광자를 제작할 수 있는 경사 입사 증착을 이용한 선형 편광자 제조 방법 및 이에 의해 제조된 선형 편광자에 관한 것이다.

증착(Deposition) 공정은 웨이퍼와 같은 시료의 표면에 균일한 두께로 얇은 박막을 밀착하여 형성하는 기술로 일반적인 증착 공정은 증착 물질을 진공 속에서 가열하여 그 중기를 시료의 전면에 걸쳐서 박막 형태로 응착 또는 화학적 방법에 의해 피막을 형성시켜 부착한다. 만약 시료의 표면에 일정 부위에만 선택적으로 박막을 형성하고자 하면 도 1에 도시된 바와 같이, 기판에 금속층을 수직입사로 증착한 후 고분자 수지층을 위에 덮은 후 구조 원본을 찍어내거나(Imprint), 감광제(Photoresist, PR)가 없는 부분을 증착을 하거나, 증착 이후 감광제(PR)가 없는 부분을 식각 공정을 통해 깎아 내어서 선택적으로 증착한 부분을 남기는 리쏘그래피(Lithography)와 같은 방법을 이용하여 고분자 패턴 구조를 만든 다음 식각(etching) 과정을 거쳐 기판에 선형 금속구조를 전사하는 과정을 통해 형성할 수 있다. 하지만 이처럼 종래 수직입사증착-식각 방법을 통한 방식은 식각하는 과정이 까다롭고 복잡하며, 식각 과정 중 기판에 영향을 주기 때문에 리쏘그래피를 통한 선형 편광자 제작이 어려움이 있다.

한국공개특허 제10-2008-0040904호

상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 나노 구조가 기 패턴된 기판을 일정 경사각으로 기울이고, 이 기울어진 기판을 설정된 회전 주기에 따라 회전하여 증착 물질을 증착하는 경사 입사 증착 방법을 이용함으로써, 식각(etching) 등의 별도의 다른 과정을 사용하는 것이 아닌 증착 방법만으로 증착 물질의 증착 속도, 기판의 경사각 정도, 기판의 회전 방법을 조절하여 증착 박막의 두께와 너비를 조절할 수 있는 경사 입사 증착을 이용한 선형 편광자 제조 방법 및 이에 의해 제조된 선형 편광자를 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 경사 입사 증착을 이용한 선형 편광자 제조 방법은 기판을 준비하는 단계, 박막 증착 장비 내부의 상부에 형성된 기판 거치대를 일정 경사각으로 기울이고, 기울어진 기판 거치대에 상기 기판을 설치하는 기판 설치 단계, 및 상기 경사각으로 일정 기울어진 기판이 설치된 기판 거치대의 중심에 설치되어 중심을 기준으로 회전가능한 회전축이 설정된 회전 주기에 따라 회전하여 기판에 증착 물질이 증착하여 증착 박막을 형성하는 경사 입사 증착 단계룰 포함할 수 있다.

상기 기판은 선형의 패턴이 형성된 선형패턴 기판을 사용하며, 여기서 선형패턴 기판은 기판 일측 면에 일정 간격으로 두 개 이상의 돌출부가 형성된 선형패턴을 갖는 요철면이 형성된 것으로, 바람직하게 돌출부의 폭이 50 내지 500nm이고, 요철 주기가 50 내지 500nm인 선형의 패턴이 형성된 것을 사용할 수 있으나, 이에 반드시 한정된 것은 아니다.

상기 기판 설치 단계에서 상기 경사각은 0° 초과 내지 85° 미만으로 선형패턴 기판을 기울일 수 있으며, 기판의 경사각은 필요에 따라 제시된 경사각 범위에서 변경할 수 있다.

상기 경사 입사 증착 단계는 상기 선형패턴 기판의 중심축을 기준으로 45° 내지 180° 회전 각도로 회전하는 반주기 또는 360° 회전 각도로 회전하는 연속주기로 선형패턴 기판을 회전하며 선형패턴 기판에서 돌출부의 최상부 면에 증착 물질을 증착할 수 있다.

또한, 상기 경사 입사 증착 단계는 상기 기판을 0.5 내지 120rpm의 속도로 회전할 수 있으나, 반드시 이에 제한된 것은 아니다.

상기 경사 입사 증착 단계는 물리적 증착 방식(Physical Vapor Deposition)을 기반으로 한 전자-빔 증착 방법(E-beam evaporation), 스퍼터링 방법(sputtering) 및 열증착 방법(thermal evaporation) 중에서 선택되는 어느 하나의 방법으로 기판에 증착 물질을 증착할 수 있다.

상기 증착 물질은 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 구리(Cu) 및 크롬(Cr) 중에서 선택되는 어느 하나의 금속 또는 이들 중 어느 둘 이상의 조합에 의한 합금이거나, SiO₂, TiO₂ 및 Al₂O₃ 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 금속 산화물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 경사 입사 증착 단계를 통해 형성된 상기 증착 박막의 두께는 선형패턴 기판의 돌출부 높이의 0.001 배 내지 10 배 사이이고, 바람직하게 0.001 내지 100 ㎛ 두께 일 수 있다. 또한, 증착 박막의 너비는 돌출부 폭의 1.2 배 내지 2 배로 형성될 수 있다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 상기와 같은 경사 입사 증착을 이용한 선형 편광자 제조 방법으로 제조된 선형 편광자는 선형 편광자의 파장이 3000 내지 15000nm 범위의 넓은 범위의 적외선 파장을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 종래의 증착 방식과는 다르게 경사입사 증착은 나노 구조가 기 패턴된 기판을 기울여서 증착하는 방법으로 구조가 있는 기판에서 증착속도, 기판의 각도, 기판의 회전 속도를 조정하여 원하는 부위에 선택적 증착을 할 수 있는 기술이다. 이 기술을 통하여 기존에는 하기 어려웠던 미세한 구조의 선택적 증착이 가능해 지고, 선형 편광자의 투과율을 향상시킬 수 있으며, 대면적 고성능 선형 편광자를 식각(etching)이나 다른 방법을 아닌 증착만으로 적외선영역의 선형 편광자를 보다 손쉽게 제작할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 수직입사증착-식각 방법을 간략하게 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 경사 입사 증착을 이용한 선형 편광자 제조 방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 경사 입사 증착 방법을 간략하게 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 반주기 회전식 경사 입사증착 방법의 모식도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 반주기 회전식 경사 입사 증착 방법을 통해 제작된 편광자를 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)으로 관찰한 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 반주기 회전식 경사 입사 증착 방법을 통해 제작된 편광자의 단면 모식도이다.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 따라 연속 회전식 경사 입사 증착 방법의 모식도이다.
도 8은 본 발명의 실시예 2에 따른 연속 회전식 경사 입사 증착 방법을 통해 제작된 편광자를 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)으로 관찰한 사진이다.
도 9는 본 발명의 실시예 1에 따른 반주기 회전식 경사 입사 증착 방법을 통해 제작된 편광자의 측정치이다.

이하 본 발명의 선형 편광자 제조 방법을 상세히 설명하며, 이는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명되는 것에 한정되지 않는다.

도 2는 본 발명의 경사 입사 증착을 이용한 선형 편광자 제조 방법의 순서도이다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 선형 편광자 제조 방법은, 기판을 준비하는 단계(S100), 박막 증착 장비 내부에 일정 경사각으로 기울여 기판을 설치하는 기판 설치 단계(S200), 및 설정된 회전 주기에 따라 회전하며 증착 박막을 형성하는 경사 입사 증착 단계(S300)를 포함하여 이루어진다.

상기 기판을 준비하는 단계(S100)에서 기판은 바람직하게 실리콘(Si) 웨이퍼, 게르마늄(Ge) 웨이퍼, 탄화규소(SiC) 웨이퍼, 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 유리, 용융실리카, 석영, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리이미드(PI), 플라스틱 또는 폴리디메틸실록산(PDMS) 등으로 이루어진 것을 사용할 수 있으며, 이에 반드시 한정된 것은 아니다.

또한 상기 기판은 나노 구조가 기 패턴된 기판으로 바람직하게 선형의 패턴이 형성된 선형패턴 기판을 사용하며, 상기 선형패턴 기판은 기판 일측 면에 일정 간격으로 두 개 이상의 돌출부가 형성된 선형패턴을 갖는 요철면이 형성된 것으로, 바람직하게 돌출부의 폭이 50 내지 500nm이고, 요철 주기가 50 내지 500nm인 선형의 패턴이 형성된 것을 사용할 수 있다.

본 발명에서 사용되는 용어 "선형패턴" 또는 "요철" 등은 두 개 이상의 요부와 돌출부가 형성된 스트라이프 형상의 패턴이 서로 평행하게 배열된 구조를 의미한다.

또한 상기 요철 주기는 요철면의 돌출부의 선폭과 하나의 홈부의 선폭을 요철의 주기로 정의할 수 있다.

상기 기판 설치 단계(S200)는 박막 증착 장비 내부(증착 공간부)의 상부에 형성된 기판 거치대를 일정 경사각으로 기울이고, 기울어진 기판 거치대에 상기 준비된 기판을 설치하는 단계이다.

상기 기판 설치 단계에서 상기 경사각은 0° 초과 내지 90° 미만일 수 있으며, 보다 바람직하게는 0° 초과 내지 85° 미만의 경사각으로 기판 거치대를 기울여 기판을 기울여서 고정시킬 수 있다. 이때 제시된 경사각 범위를 벗어나면 선형패턴 기판의 돌출부의 상면과 측면에 증착되는 증착 물질이 미세기둥 구조가 제대로 형성되지 못하므로 상기 제시된 경사각으로 기판을 기울여서 증착하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용되는 박막 증착 장비는 물리적 증착 방식(Physical Vapor Deposition)을 기반으로 한 전자-빔 증발기(E-beam evaporator), 열 증발기(Thermal evaporator) 및 스퍼터(Sputter) 장비 중에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있으며, 이러한 박막 증착 장비는 도면에 도시되지 않았으나, 공통적으로 기판 거치대에 기판이 위치된 상태에서 기판에 증착 물질을 증착하도록 이루어진 증착 공간부, 상기 증착 공간부의 하부에 구비되어 상기 증착 공간부 상부에 위치된 기판에 증착 물질을 가열하여 공급하는 증착 물질 공급부를 포함하고, 상기 증착 공간부와 증착 물질 공급부가 설치된 공간 사이에는 두 공간 사이를 개폐하면서 기판에 증착 물질의 증착을 조절하는 셔텨(shutter)가 설치되어 있는 구성으로 이루어진다.

상기 증착 물질은 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 구리(Cu) 및 크롬(Cr) 중에서 선택되는 어느 하나의 금속 또는 이들 중 어느 둘 이상의 조합에 의한 합금이거나, SiO₂, TiO₂ 및 Al₂O₃ 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 금속 산화물을 사용할 수 있다.

경사 입사 증착 단계(S300)는 상기 기판 설치 단계(S200)에서 박막 증착 장비 내부에 일정 경사각으로 기울어진 기판이 설정된 회전 주기에 따라 회전하여 기판에 증착 물질이 증착하여 증착 박막을 형성하는 단계로, 설치된 기판 거치대의 중심 하부에 위치하며 상기 기판 거치대를 회전 가능하게 회전축이 구비되어 있어, 설정된 회전 주기에 따라 회전축이 회전하며 상기 일정 경사각으로 기울어진 기판이 설치된 기판 거치대도 회전하면서 기판에 증착 물질이 증착하여 증착 박막을 형성한다.

구체적으로 경사 입사 증착 단계(S300)는 상기 기판을 기판의 중심축을 기준으로 45° 내지 180° 회전 각도로 회전하는 반주기 또는 360° 회전 각도로 회전하는 연속주기로 기판을 시계방향 또는 반시계방향 중 어느 한 방향으로 회전하며 선형패턴 기판의 돌출부에서 위쪽의 최상부 면에 선택적으로 증착 물질이 미세기둥구조를 이루며 증착할 수 있다. 이때, 경사 입사 증착 진행 중에 기판의 회전 방향은 동일한 방향 및 동일한 속도로 회전하는 것이 바람직하다.

도 3은 본 발명의 경사 입사 증착 방법에 대한 예시이다. 기존의 수직 증착법과는 달리 기판을 기울여서 증착을 하는 방법으로 증착하게 되면 기판 표면에 수직한 형태가 아닌 기울어진 형태의 기둥이 형성되게 된다. 이와 같은 경사 입사 증착 방법은 물질이 증착될 때 국지적 섬 형태를 이루면서 증착이 되는데, 입사 물질이 수직이 아닌 입사 각도를 가지면 미세기둥구조가 일정한 각도로 성장하게 된다. 이 과정 중 미세 기둥 사이에 빈 공간이 생기며, 이 공간으로 인한 그림자 효과를 증착 과정 중 적절히 증착 속도, 기판의 기울임 정도(경사각), 기판의 회전 방법 등을 제어하면 특이 구조의 증착패턴을 구현할 수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도 4 내지 도 7을 참고하여 더욱 상세히 설명한다.

한편, 이하의 실시예에서는 증착 방법으로 전자-빔 증착 방법(E-beam evaporation)을 예로 들어 설명하고 있으나, 본 발명은 전자-빔 증착 방법(E-beam evaporation)을 포함하는 다양한 기판의 물리적 증착 방식(Physical Vapor Deposition)을 기반으로 한 스퍼터링 방법(sputtering) 및 열증착 방법(thermal evaporation) 등이 응용될 수 있으며, 또한 실시예에서 설명하는 기판 외에 다양한 피처리물에도 응용될 수 있음은 당업자라면 이해할 수 있을 것이다.

도 4는 실시예 1로 반주기 회전식 경사 입사 증착방법을 나타낸 것이다. 실시예 1은 선형패턴 기판의 경사각도(O)를 45°로 하고 기판을 180°씩 반주기 회전식 경사 입사 증착법으로 4회 회전시켜 증착 물질로 알루미늄(Al)을 증착시켜 제작한 것이다. 이때, 증착 속도는 0.5nm/s로 한 회전당 15nm가 증착되도록 하였다. 증착의 시작온도는 25℃ 정도이다. 증착 장치는 셔터를 2개 사용하고, 하나의 셔터가 열린 후 증착 물질인 알루미늄(Al)이 안정적인 증착속도로 올라간 뒤에 또 다른 하나의 셔터를 열어 증착을 시작하여 증착하여 선형 편광자를 제작한다.

도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 반주기 회전식 경사 입사 증착 방법을 통해 제작된 편광자의 단면을 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)으로 관찰한 사진으로, 도 5에 도시된 바와 같이 선형패턴 기판의 돌출부 위쪽에 증착 물질인 금속 알루미늄(Al)이 증착됨을 확인할 수 있었다.

상기 도 5에서 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 편광자의 단면의 모습을 개략적으로 모식화한 도면인 도 6에서와 같이, 요철 주기가 100nm이고, 돌출부의 높이는 140nm인 선형패턴을 갖는 실리콘 기판의 돌출부 최상부 면에 증착 물질인 알루미늄(Al)이 증착되고, 이때 증착 물질인 알루미늄은 하나의 돌출부 최상부 면에 폭이 95nm, 높이는 44nm로 증착되었다.

도 7은 실시예 2로 연속 회전식 증착법을 나타낸 것이다. 실시예 2는 기판 경사각도(O)를 65°로 기울였으며, 60rpm의 회전속도로 증착동안 기판을 회전시켜 제작하였다. 이때, 증착 속도는 0.5nm/s이고, 증착의 시작온도는 25℃ 정도이다. 증착 장치는 셔터를 2개 사용하고, 하나의 셔터가 열린 후 증착 물질인 알루미늄(Al)이 안정적인 증착속도로 올라간 뒤에 또 다른 하나의 셔터를 열어 증착을 시작하여 증착하여 선형 편광자를 제작한다.

도 8에 도시된 바와 같이, 실시예 2는 실시예 1과 달리 선형패턴 기판의 돌출부 위에 증착 물질이 마치 스프링 모양으로 증착된다. 따라서 상기 실시예 1의 반주기 회전식 증착 방법보다 선형패턴 기판 상에 더 넓은 범위로 증착을 하고자 할 때 유용함을 알 수 있다.

상기 실시예 1과 실시예 2에서 경사 입사 증착방법을 통해 상기 선형패턴 기판 상에 형성된 증착 박막의 두께는 선형패턴 기판의 돌출부 높이의 0.001 배 내지 10 배 사이이고, 바람직하게 0.001 내지 100 ㎛ 두께 일 수 있다. 또한, 연속 회전식 증착법을 통해 형성된 증착 박막의 너비는 돌출부 폭의 1.2 배 내지 2 배로 형성될 수 있다.

도 9는 본 발명의 실시예 1에 따른 반주기 회전식 경사 입사 증착 방법을 통해 제작된 편광자의 측정치 그래프이다. 이 그래프에서 'TM'은 수직 평광(Transverse Magnetic Wave)이고, 'TE'는 수평 편광(Transverse Electric Wave)이며, 'PER'은 편광 소멸 비율(Polarization Extinction Ratio)를 의미한다.

도 9에 나타낸 바와 같이, 3000nm 내지 5000nm 파장에서 TM 편광의 평균 투과 값은 0.81 정도이고, TE 편광의 평균 투과 값은 0.001 정도이고, 평균 편광 소멸 비율(PER)은 약 29dB 정도인 것을 알 수 있다.

전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 선형 편광자는 나노 구조가 기 패턴된 선형패턴 기판을 기울여서 기판의 경사각, 증착속도, 회전 속도 등을 조정하여 기판상에 증착 물질을 원하는 부위에 선택적으로 증착함으로써, 종래의 수직 입사 증착방법 및 식각 방법보다 미세 구조의 선택적 증착이 가능하고, 또한 대면적의 고성능 선형 편광자를 증착 방법만으로 간편하게 제작할 수 있다.

Claims

기판 일측 면에 일정 간격으로 두 개 이상의 돌출부가 형성된 선형패턴을 갖는 요철면이 형성된 것으로, 상기 돌출부는 폭이 50 내지 500nm이고, 요철 주기가 50 내지 500nm인 선형패턴이 형성된 선형패턴 기판을 준비하는 단계;
박막 증착 장비 내부의 상부에 형성된 기판 거치대를 0°초과 내지 85°미만의 경사각으로 기울이고, 기울어진 기판 거치대에 상기 선형패턴 기판을 설치하는 기판 설치 단계; 및
상기 경사각으로 일정 기울어진 선형패턴 기판이 설치된 기판 거치대의 중심에 설치되어 중심을 기준으로 회전가능한 회전축이 설정된 회전 주기에 따라 회전하여 선형패턴 기판에 증착 물질이 증착하여 증착 박막을 형성하는 경사 입사 증착 단계;를 포함하며,
상기 경사 입사 증착 단계는, 상기 선형패턴 기판의 중심축을 기준으로 45° 내지 180° 회전 각도로 회전하는 반주기 또는 360° 회전 각도로 회전하는 연속주기로 선형패턴 기판을 회전하며 선형패턴 기판에서 돌출부의 최상부 면에 증착 물질을 증착하는 것을 특징으로 하는 경사 입사 증착을 이용한 선형 편광자 제조 방법.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 경사 입사 증착 단계는,
상기 기판을 0.5 내지 120rpm의 속도로 회전하는 것을 특징으로 하는 경사 입사 증착을 이용한 선형 편광자 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 경사 입사 증착 단계는,
물리적 증착 방식(Physical Vapor Deposition)을 기반으로 한 전자-빔 증착 방법(E-beam evaporation), 스퍼터링 방법(sputtering) 및 열증착 방법(thermal evaporation) 중에서 선택되는 어느 하나의 방법으로 기판에 증착 물질을 증착하는 것을 특징으로 하는 경사 입사 증착을 이용한 선형 편광자 제조 방법.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 증착 물질은 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 구리(Cu) 및 크롬(Cr) 중에서 선택되는 어느 하나의 금속 또는 이들 중 어느 둘 이상의 조합에 의한 합금이거나,
SiO₂, TiO₂ 및 Al₂O₃ 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 금속 산화물인 것을 특징으로 하는 경사 입사 증착을 이용한 선형 편광자 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 경사 입사 증착 단계를 통해 형성된 상기 증착 박막의 두께는 0.001 내지 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 경사 입사 증착을 이용한 선형 편광자 제조 방법.
제1항, 제4항, 제5항, 제8항, 및 제9항 중 어느 한 항의 제조 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 선형 편광자.
제10항에 있어서,
상기 선형 편광자의 파장은 3000 내지 15000nm 범위의 적외선 파장인 것을 특징으로 하는 선형 편광자.