KR20170117533A - 개선된 투과를 갖는 근적외선 광학 간섭 필터 - Google Patents

개선된 투과를 갖는 근적외선 광학 간섭 필터 Download PDF

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Abstract

간섭 필터는 적어도: 질소가 첨가된 비정질 수소화된 실리콘의 층들 (a-Si:H,N), 및 SiO2, SiOx, SiOxNy, 1.9 내지 2.7 범위에서 더 높은 굴절률을 갖는 유전체, 등과 같은, 하나 이상의 유전체의 층들의 복수의 층들을 포함하는 층 스택을 포함한다. 상기 간섭 필터는, 750-1000 nm 범위에서 통과대역 중심 파장을 갖도록 설계된다. a-Si:H,N 층에서 첨가된 질소는, 비슷한 투과를 갖는 a-Si:H에서 관찰되는 굴절률을 크게 낮추지 않고 통과대역에서 개선된 투과를 제공한다. 1.9 내지 2.7 범위에서 더 높은 굴절률을 갖는 유전체의 층들은, 저 굴절률 층으로서 SiO2를 사용하는 유사한 간섭 필터와 비교하여 더 작은 각 이동을 제공한다.

Description

개선된 투과를 갖는 근적외선 광학 간섭 필터
본 출원은 2015년 2월 18일자로 발명의 명칭을 "NEAR INFRARED OPTICAL INTERFERENCE FILTERS WITH IMPROVED TRANSMISSION"으로 출원된 미국 가 특허출원 제62/117,598호의 우선권을 주장한다. 2015년 2월 18일자에 출원된 미국 가 특허출원 제62/117,598호의 전체적인 내용은 여기에 참조로서 혼입된다.
다음은 광학 기술, 광학 필터 기술 및 관련 기술에 관한 것이다.
알려진 투과 간섭 필터 (transmission interference filter)는 실리콘 (silicon) 및 이산화규소 (SiO2) 층들이 교대로 적층된 스택 (stack)을 사용한다. 이러한 장치는 약 1100nm에 이르기까지 단파 및 중파 적외선 (mid wave infrared) 내에서 사용하는 것으로 알려져 있고, 실리콘 및 SiO2 모두는 이 범위에서 투명하다. (상한 광자 에너지 임계값 (photon energy threshold)에 상응하는) 더 낮은 파장 임계값은, 실리콘의 결정 형태에서 약 1.12 eV의 밴드갭 (bandgap)을 갖는, 실리콘에 의한 흡수의 시작에 의해 조절된다. 이들 장치에서 실리콘의 주요 장점은 이의 높은 굴절률이다. 광학 간섭 필터의 스펙트럼 프로파일 (spectral profile)은, 여러 가지 중에서, 조명의 각도에 의존한다. 각도가 증가함에 따라, 필터는 더 짧은 파장으로 이동한다. 이 각도 이동 (angular shift)은 사용된 물질 및 이들 물질의 분포에 의존한다. 더 높은 굴절률은 더 적은 각 이동을 결과한다. 협대역 필터 (narrow band filters)인 경우, 광학 시스템에 사용된 경우, 각 이동의 양은 필터의 유용한 대역폭을 제한한다. 큰 각도 수광각 (acceptance angles)을 갖는 시스템에서, 낮은 각도 이동을 산출하도록 구성된 필터는, 더 낮은 굴절률을 갖는 물질로 구성된 것보다 더 좁은 통과대역 (passband)를 가질 수 있고, 따라서 더 큰 잡음 제거 (noise rejection)를 할 수 있다.
장치 작동을 근적외선으로 확장하기 위해, 수소화된 비정질 실리콘 (a-Si:H) 및 SiO2의 교대 층 (alternating layers)을 사용하기 위하여, 실리콘을 수소화하는 것은 또한 알려져 있다. 실리콘을 수소화하여, 물질 손실 및 굴절률은 감소된다. 이러한 접근 방식으로, 800-1000 nm 범위에서 작동하는 매우 고성능의 간섭 필터는 달성될 수 있다.
몇몇 개선사항은 여기에 개시된다.
여기에 개시된 하나의 예시적인 관점에서, 적어도: 질소가 첨가된 비정질 수소화된 실리콘 (a-Si: H,N)의 층들 및 a-Si:H,N의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 하나 이상의 유전체 물질의 층들의 복수의 층들을 포함하는 층 스택을 포함하는, 간섭 필터는 개시된다. 하나 이상의 유전체 물질은, 비-제한적인 예로, SiO2, 실리콘 아산화물 (silicon suboxide) (SiOx), 및/또는 실리콘 산질화물 (SiOxNy)를 포함할 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 하나 이상의 유전체 물질은 1.9 내지 2.7 범위의 굴절률을 갖는 유전체 물질의 층들을 포함한다. 몇몇 구체 예에서, a-Si:H,N은 1 내지 4% 수소 및 2 내지 6% 질소의 원자 농도를 갖는다. 층 스택은, 유리 기판과 같은, 투명 기판에 의해 지지될 수 있다.
여기에 개시된 또 다른 예시적인 관점에서, 간섭 필터는 a-Si:H,N 및 실리콘계 유전체 층을 교대로 포함하는 층 스택을 포함하며, 여기서 상기 간섭 필터는 750-1100 nm 범위, 또는 좀 더 바람직하게는 800-1100 nm 범위의 중심 파장을 갖는 적어도 하나의 통과대역을 갖는다. 실리콘계 유전체 층은, 비-제한적인 예로, 실리콘 산화물 (SiOx) 층 및/또는 실리콘 산질화물 (SiOxNy) 층을 포함할 수 있다. 몇몇 구체 예에서, a-Si:H,N은 4 내지 8%의 수소 및 2 내지 12%의 질소의 원자 농도를 갖는다. 층 스택은, 유리 기판과 같은, 투명 기판에 의해 지지될 수 있다.
여기에 개시된 또 다른 예시적인 관점에서, a-Si:H,N 및 SiOx 층을 교대로 포함하는 간섭 필터를 제조하는 방법은 개시된다. 상기 방법은 실리콘 타겟으로부터 필터 기판상으로 실리콘을 스퍼터링하는 단계, 및 스퍼터링 동안, (i) a-Si:H,N를 증착시키기 위해 수소 및 질소를 포함하는 공정 가스, 및 (ii) SiOx을 증착시키기 위해 산소를 포함하는 공정 가스를 교대시키는 단계를 포함한다. 스퍼터링은 실리콘 타겟에 음의 바이어스 (negative bias)를 인가하는 단계, 및 수소 및 질소를 포함하는 공정 가스 및 산소를 포함하는 공정 가스 모두에 불활성 가스 성분을 포함시키는 단계를 포함할 수 있다. 불활성 가스는, 예를 들어, 아르곤일 수 있다. 또한, 이 공정에 의해 제조된 간섭 필터는 개시된다.
여기에 개시된 또 다른 예시적인 관점에서, 간섭 필터는, 적어도 비정질 수소화된 실리콘의 층들 및 1.9 내지 2.7 범위에서 굴절률을 갖는 유전체 물질의 층을 포함하는, 비정질 수소화된 실리콘의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 하나 이상의 유전체 물질의 층들의 복수의 층들을 포함하는 층 스택을 포함한다. 몇몇 구체 예에서, 1.9 내지 2.7의 범위에서 굴절률을 갖는 유전체의 층들은, Si3N4, 1.9 이상의 굴절률을 제공하기에 충분히 큰 y를 갖는 SiOxNy, Ta2O5, Nb2O5, 또는 TiO2를 포함하는 하나 이상의 층들을 포함한다. 몇몇 구체 예에서, 층 스택은, 비정질 수소화된 실리콘의 개재 층 (intervening layer)이 없는 1.9 내지 2.7 범위에서 굴절률을 갖는 유전체의 층에 바로 인접한 적어도 하나의 SiO2 층을 포함한다. 몇몇 구체 예에서, 비정질 수소화된 실리콘은 질소를 포함한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 질소를 포함하는 비정질 수소화된 실리콘은, 1% 내지 4% 수소 및 2% 내지 6% 질소의 원자 농도를 갖는다.
도 1은 여기에 개시된 바와 같은 개선된 투과 (transmission) 및/또는 감소된 각도 이동을 갖는 근적외선 광학 간섭 필터를 제조하기 위한 스퍼터링 증착 시스템을 나타낸 개략도이다.
도 2는 비정질 수소화된 실리콘 (a-Si:H)의 광학 특성 (투과 및 굴절률)에 대한 수소화의 영향을 나타낸 개략도이다.
도 3은 고정된 수소화 수준의 a-Si:H의 광학 특성 (투과 및 굴절률)에 대한 질소 첨가의 영향을 나타낸 개략도이다.
도 4는 도 1의 스퍼터링 증착 시스템을 사용하여 적절히 제조된 간섭 필터를 나타낸 개략도이다.
전술한 바와 같이, 실리콘의 수소화가 통과대역에 허용 가능한 필터 투과 특성을 제공하기에 충분한 흡수 손실 (진성 실리콘 (intrinsic silicon) 및 유도된 장애 모두)을 감소시키기 때문에, 수소화 실리콘 (a-Si:H) 층을 갖는 층 단위의 스택을 포함하는 간섭 필터는, 근적외선 (800-1250 nm)에 작용을 위해 사용된다. 도 2를 간단히 참조하면, 근-적외선에 대한 이러한 접근법은 상당한 단점을 갖는 것으로 여기에서 인식된다. 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 적외선 (예를 들어, 800-1100nm 범위)의 고정된 파장에 대해, a-Si:H의 수소화를 증가시키는 것 (즉, a-Si:H의 수소 함량을 증가시키는 것)은 손실을 감소시키지만 - 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이 a-Si:H의 굴절률 또한 감소시킨다.
높은 개구 수 광학 시스템 (numerical aperture optical systems)을 위한 협대역 간섭 필터의 성능은, 물질 특성이 급속하게 변화하는 근적외선 영역에서 낮은 각 이동과 높은 투과를 얻는 것 사이의 절충안이다. 높은 투과는 (많은 양의 수소로 얻을 수 있는) 낮은 흡광 계수 (extinction coefficient)에 상응하지만, 작은 각 이동은 (소량의 수소를 얻을 수 있는) 높은 굴절률에 의해 달성된다.
도 3을 간단히 참조하면, 개시된 개선은 근-적외선 (800-1100nm)에서 사용하기 위한 Si-계 간섭 필터의 a-Si:H 층에 조절된 양의 질소를 첨가하는 것에 관한 것이다. 다시 말하면, 이러한 개선은 a-Si:H를 a-Si:H,N으로 대체하는 것을 수반한다. 도 3에 도식적으로 나타낸 바와 같이, 적외선 (예를 들어, 800-1100nm 범위)에서 고정된 파장, 및 주어진 (고정된) 수준의 수소화의 경우, 질소의 첨가는, 굴절률에 감소된 수반 감소 (concomitant reduction)에 따라 투과를 증가시킨다. 굴절률에 대한 질소 첨가의 영향은 수소화의 영향보다 훨씬 적은데, 특히 10% 이하의 질소 범위에서 질소 분율 (nitrogen fractions)의 경우 더욱 그렇다. 따라서, 이러한 변형은 각도 이동, 피크 투과 및 필터 대역폭의 개선된 조절로 800-1100nm 범위에서 작동하는 근-적외선 간섭 필터의 제조를 가능하게 한다.
다른 한편, 주어진 통과대역 폭에 대해, a-Si:H를 a-Si:H,N으로 대체하면, 통과대역에서 개선된 투과를 제공할 수 있다. 이 접근법에서, a-Si:H를 a-Si:H,N으로 대체하면, 동일한 굴절률 단계 (및 따라서 동일한 스펙트럼 통과대역 폭)를 갖는 등가의 a-Si:H-계 장치와 비교하여 통과대역에서 개선된 투과를 갖는 근-적외선 간섭 필터의 제작을 가능하게 한다. 실제로, 본 발명자들은 이 설계 패러다임에서 이러한 필터의 실제 작동 범위가 750 nm에 이르기까지 확장될 수 있다는 것을 발견했다.
당업자는, 개시된 a-Si:H,N 계 간섭 필터들에 포괄된 스펙트럼 범위가, 850nm 광학 데이터 통신 창 (optical data communications window)과 같은, 기술적 중요성의 통과대역들을 포괄한다는 것을 인식할 것이다.
이 범위에서 작동하는 몇몇 간섭 필터 적용에서, 또 다른 고려 사항은 통과대역의 각 이동이다. 개념적으로, 각 이동은 수직 입사각으로부터 증가하는 각도 편차에 따라 증가하는 층을 통과하는 광선 경로 길이 (light ray path length )로부터 결과한다. 경로 길이에서 이러한 증가는 위상 지연 (phase retardation)의 변화에 상응하며, 이는 건설적/상쇄적 간섭 (constructive/destructive interference)에 영향을 주어 각 이동을 도입한다. 층을 통과하는 수직 입사 경로의 길이가
Figure pct00001
이면, 그 다음 (수직, 즉, 수직 입사각에 대한
Figure pct00002
에 대해 측정된) 물질에서 각 (
Figure pct00003
)에서 층을 통한 경로 길이는
Figure pct00004
이다.
Figure pct00005
이 스넬의 법칙 (Snell's law)에 따라 간섭 필터에 충돌하는 빛의 입사각
Figure pct00006
과 관련이 있고, 및 대기가 공기 (
Figure pct00007
)라고 가정하면, 이것은
Figure pct00008
를 초래하고, 여기서
Figure pct00009
은 층의 굴절률이다.
Figure pct00010
을 사용하면, 이것은
Figure pct00011
으로 표기되는 것이 가능하다. 따라서, 각도 이동 효과는 층의 작은 굴절률
Figure pct00012
만큼 악화된다.
종래의 간섭 필터 설계에서, 통상적으로 고 굴절률 층과 저 굴절률 층 사이에 굴절률 콘트라스트 (contrast)를 최대화하는 것이 바람직하다. 실리콘-계 간섭 필터에서, 고 굴절률 층은 (여기에 개시된 바와 같이 a-Si:H,N으로 대체될 수 있는) a-Si:H이고, 이산화규소 (n이 1.4 내지 1.5인 SiO2)는 저 굴절률 층으로 역할한다. 그러나, 여기에서 간섭 필터의 일부 또는 모든 저 굴절률 층들에서 SiO2에 대해 더 높은 굴절률 물질을 대체함으로써 750-1000nm 범위에서 작동하는 간섭 필터에서 감소된 각도 이동을 얻는 것이 개시된다. 몇몇 고려되는 구체 예에서, 대체 층은 1.9 내지 2.7 범위의 굴절률을 갖는 유전체 층 (dielectric layer)이다. 이들 값을 제공하는 몇몇 적절한 Si-호환 물질은 실리콘 질화물 (n이 2.0-2.2를 갖는 Si3N4), 실리콘 산질화물 (1.9 이상의 굴절률을 제공하기에 충분히 큰
Figure pct00013
을 갖는 SiOxNy), 오산화 탄탈륨 (n이 2.1-2.2를 갖는 Ta2O5), 오산화 니오븀 (n이 2.3-2.4를 갖는 Nb2O5), 또는 이산화티타늄 (n이 2.6을 갖는 TiO2)을 포함한다. 여기에 나타낸 예시적인 구체 예에서, 실리콘 질화물 (Si3N4)은 사용된다. 고 굴절률 a-Si:H 또는 a-Si:H,N 층은, 낮은 굴절률 층에 원하는 굴절률 콘트라스트를 제공하기에 충분한 수소 (및 선택적으로 질소) 함량을 가져야 한다.
더군다나, 설계-사양 각 (design-specification angle)에 대해 원하는 낮은 각 이동을 얻기 위해서, 고 굴절률 유전체 (예를 들어, Si3N4)로 오직 스택의 몇몇 SiO2 층들을 대체하는 것이 충분할 수 있다. 광학 설계 소프트웨어 (예를 들어, 광선 추적 시뮬레이터)는, 원하는 중심 대역 (center band), 대역폭, 및 각 이동 설계 기초 특성을 달성하기 위해 알려진 굴절률을 갖는 물질에 대한 층 배치 및 두께를 최적화하는 데 사용될 수 있다.
이하, 도 1을 참조하면, 적절한 제조 시스템은 기재된다. 예시적인 시스템은 스퍼터링 증착을 사용하지만, 진공 증발, 전자-빔 증발 등과 같은 다른 증착 방법은 고려된다. 일반적으로, a.c. 또는 d.c. 스퍼터링이 사용될 수 있다. 예시적인 스퍼터링 증착 시스템은 스퍼터 타겟 홀더 (12) 및 기판 원형 컨베이어 (carousel: 14)를 함유하는 공정 챔버 (10)를 포함한다. 예시적인 증착을 위해, 실리콘 타겟 (16) (예를 들어, 실리콘 웨이퍼 (16))이 스퍼터 타겟 홀더 (12)에 장착된다. 하나 이상의 기판 (20)은 기판 원형 컨베이어 (14) 상으로 로딩된다. 기판(들) (20)은 관심의 파장 범위 (예를 들어, 800-1000nm 또는 750-1000nm)에서 투명한, 유리, 실리카 또는 알루미나와 같은, 물질이 적절하다.
스퍼터 증착에서, 고 에너지 입자 (energetic particles)는 타겟 (16) (이 경우 실리콘 타겟 (16))으로 향하고, 이 입자는 타겟으로부터 물질을 제거 (즉, "스퍼터")하기에 충분한 에너지를 가지며, 그 다음 스퍼터링된 물질로 기판 (20)을 코팅하기 위해 기판 (20)의 표면에 (탄도학적으로 및/또는 자기장 또는 전기장의 영향하에) 전달된다. 예시적인 스퍼터링 증착 시스템은, 예시적인 Ar 가스 용기 (22)로부터 또는 고에너지 입자들로서 또 다른 아르곤 (Ar) 가스를 사용한다. 이온화 전계 (electric field)는 타겟 (16)에 음의 바이어스 (negative bias) (-V)를 인가하여 발생되어 아르곤 원자를 이온화시키고, 이는 그 다음 -V 전압 바이어스에 의해 발생된 전계의 영향하에 음으로 바이어스된 타겟 (16)에 충돌하여 스퍼터링을 생성시킨다. 한편, 기판 (20)은, 타겟 (16)에 비하여 좀 더 양으로 바이어스되는데, 예를 들어, 기판(들) (20)은 도 1의 예시적인 스퍼터링 시스템에서 접지된다. 이러한 예시적인 구성에서, 타겟 (16)은 음극이고, 챔버 (10) (및/또는 기판 (20), 예를 들어, 몇몇 구체 예에서, 기판 원형 컨베이어 (14)는 접지될 수 있다)는 전기 회로의 양극이다. 아르곤이, 예시적인 구체 예에서 스퍼터링 가스이지만, 크세논과 같이 이온화될 수 있는 다른 불활성 가스가 선택적으로 사용될 수 있다.
이산화규소를 증착하기 위해, 산소 (O2) 용기 (24) 또는 다른 산소 공급원은 제공된다. 첨가된 질소를 갖는 비정질 수소화된 실리콘 (a-Si:H,N)을 증착하기 위해, 수소 (H2) 용기 (26) 또는 다른 수소 공급원 (예를 들어, 암모니아, NH4 또는 실란, SiH4) 및 질소 (N2) 용기 (30) 또는 다른 질소원은 제공된다. (다이어그램으로 표시된) 가스 주입 다기관 (32)은 스퍼터링 증착 공정 동안 공정 챔버 (10) 내로 원하는 가스 혼합물을 진입시키기 위해 제공된다. 유량 조절장치 (flow regulators: 34)는 조절 가능하여 각각 Ar, O2, H2, 및 N2의 흐름을 설정한다. 공정 챔버 (10)는 또한 챔버 (10)로부터 가스를 방출하기 위해 적절한 배기관 (36) (예를 들어, 스크러버, 등)에 연결된다. 예시적인 O2, H2, 및 N2 용기 대신에 다른 가스 공급원을 대체하는 것이 고려된다. 다른 적절한 질소 가스 공급원은 암모니아 (NH4) 또는 히드라진 (N2H4)을 포함한다. 질소 및 수소를 모두 포함하는 암모니아 또는 히드라진과 같은 기체 공급원을 사용하는 경우, a-Si:H,N 층에 질소 및 수소의 상대적 혼입을 차지하도록 보정 (calibrations)은 수행되어야 한다. 기판 온도, 타겟 바이어스 (-V), 공정 챔버 압력, 총 유량 등과 같은 공정 파라미터는 질소 대 수소의 상대적 혼입에 영향을 미칠 수 있다. 2개의 밸브 (VA, VB)는 증착 SiO2 및 a-Si:H,N 사이를 전환하기 위해 제공된다. 밸브 (VA)는 산소 공급원 (24)으로부터 가스 유입 다기관 (32)으로 산소의 진입을 조절하는 반면, 밸브 (VB)는 수소 및 질소 공급원 (26, 30)으로부터 수소/질소 혼합물의 진입을 조절한다. SiO2 증착 및 a-Si:H,N 증착 사이의 신속한 전환을 가능하게 하기 위해, 밸브 (VA, VB)는 자동화 밸브이고, 이의 액츄에이터 (actuators)는 필터 레시피 (filter recipe: 42)에 따라 전자 스퍼터링 컨트롤러 (40)에 의해 조절된다. 예를 들어, 스퍼터링 컨트롤러 (40)는 디지털-대-아날로그 (D/A) 컨버터, 고 전압 공급원, 및 프로그램된 마이크로프로세서 또는 마이크로컨트롤러를 포함할 수 있어서, 필터 레시피 (42)에 따라 개별 밸브들 (VA, VB)을 개폐하는 전기적 작동 신호를 발생하는 D/A 컨버터를 작동시키고 및 타겟/음극 (16)에 전압 (-V)을 인가하도록 전압 공급원을 작동시킨다. 도 1에 나타낸 하부 우측 삽입표 (50)에는 각각 SiO2 및 a-Si:H,N을 증착시키기 위한 밸브들 (VA, VB)에 대한 설정이 요약되어 있다. SiO2를 증착시키기 위해, 밸브 (VA)는 가스 주입 다기관 (32)으로 산소를 진입시키도록 개방되어 있으며, 반면에 밸브 (VB)는 폐쇄되어 수소 및 질소 공급원을 차단한다. 그 결과로 생긴 공정 가스는 아르곤/산소 혼합물이다. a-Si:H,N을 증착하기 위해, 밸브 (VA)는 산소를 차단하도록 폐쇄되고, 밸브 (VB)는 가스 주입 다기관 (32)에 아르곤/수소/질소 혼합물을 포함하는 공정 가스를 진입시키기 위해 개방된다. 아르곤 공급원 (22)은 밸브들 (VA, VB)와 독립적으로 가스 주입 다기관 (32)에 연결되는 점에 유의한다. 각각의 가스 공급원 (22, 24, 26, 30)에 대해 자동 밸브들 (VA, VB)로부터 독립적으로 각각의 가스 공급원을 수동으로 차단할 수 있도록 별도의 수동 작동식 차단 밸브 (도시되지 않음)는 통상적으로 제공된다.
저 굴절률 층의 일부에 대해 고 굴절률 물질을 대체하는 것이 더욱 바람직하다면, 부가적인 가스 공급원은 적절한 밸브와 함께 제공될 수 있다. 도 1의 예시적인 시스템에서, 실리콘 질화물 (Si3N4) 층을 증착시키기 위해, 밸브 (VC)에 의해 조절되는, 부가적인 질소 (N2) 용기 (25) 또는 다른 질소 공급원은 제공된다. 표 (50)에서 더욱 나타낸 바와 같이, Si3N4의 증착은, 밸브 (VC)가 개방되고, 두 밸브 (VA 및 VB)가 폐쇄되는 경우, 얻어진다. SiO2의 증착과 같이, 실리콘 질화물의 실리콘 성분은 실리콘-계 스퍼터링 타겟 (20)에 의해 공급된다. 바람직한 화학양론은 적절한 교정 작업 (calibration runs)을 사용하여 질소 용기 (25)애 대해 유량 조절장치에 의해 설정된다. 비록 도 1에 나타내지는 않았지만, 유사한 설정이 밸브 (VB)를 폐쇄하고 두 밸브 (VA, VC)를 개방하여, 굴절률이 1.9 이상인 SiOxNy를 증착하는데 사용될 수 있음을 인식할 것이다. 실리콘을 함유하지 않는 유전체 층 (예를 들어, Ta2O5, Nb2O5, 또는 TiO2)을 대체하기 위해, 타겟 홀더 (12)는 실리콘 타겟으로 로딩된 다수의 타겟 슬롯을 가질 수 있고, 또한 비-실리콘 함유 유전체 층을 증착하는데 사용하기 위해, 예를 들어, 탄탈륨, 니오븀, 또는 티타늄을 함유하는 적절한 타겟으로 로딩된 또 다른 슬롯 (slot)을 가질 수 있다. 선택적으로, 탄탈륨, 니오븀, 티타늄 등은, 가스 공급원 또는 다른 공급원에 의해 제공될 수 있다.
도 1의 제조 시스템을 사용하여 적절하게 수행되는 예시적인 간섭 필터 제조 공정은 다음에 설명된다. 초기에, 모든 가스 공급원 (22, 24, 26, 30)은 수동으로 폐쇄되고, 공정 챔버 (10)는 대기압이 되어 개방되며, 타겟 (16)은 타겟 홀더 (12)상에 로딩되고, 기판 (20)은 기판 원형 컨베이어 (14) 상에 로딩된다. 공정 챔버 (10)은 그 다음 폐쇄되고, 타겟 진공 수준으로 끌어내린다. 또 다른 설정으로서, 유량 조절장치 (34)는 원하는 유속으로 수동 설정된다. (선택적으로, 유량 조절장치가 스퍼터링 컨트롤러 (40)의 자동 조절하에 있는 것으로 고려되는 경우, 조절장치는 필터 레시피에 제공된 값에 따라 적절하게 설정된다).
스퍼터 증착은 가스 주입 다기관 (32)를 통해 적절한 공정 가스를 흐르게 하고, 및 전계에 의해 구동되는 Ar 원자를 이온화하기 위해 음극 바이어스 (-V)를 타겟 (16)에 인가하여 개시되어 실리콘 타겟 (16)으로부터 실리콘을 스퍼터링시킨다. 특정 시동 순서 (particular startup sequence)는 특정 스퍼터링 증착 시스템 및 다른 설계 고려 사항에 의존한다: 예를 들어, 하나의 접근법에서, 공정 가스 흐름은 먼저 시작되고, 그 다음 음극 바이어스 (-V)가 스퍼터 증착을 개시하도록 인가되며; 선택적으로, 바이어스는 불활성 가스 흐름 하에 적용될 수 있고 및 스퍼터 증착은 적절한 공정 가스를 진입시켜 개시될 수 있다.
스퍼터링 동안, 밸브들 (VA 및 VB) (및 선택적 VC)은, SiO2 (및/또는 선택적으로 Si3N4) 및 a-Si:H,N 층들을 교대로 증착하기 위해 필터 레시피 (42) 및 표 (50)의 밸브 설정 값에 일치하게 개폐된다. 층 두께는 보정 증착으로부터 얻어진 증착 속도 (deposition rates)의 연역적 지식 및 증착 시간에 기초하여 조절된다. 층 조성물은, 보정 증착에 기초하여 설정된, 유량 조절장치 (34)의 설정에 의해 조절된 공정 가스 혼합물에 기초하여 결정된다. (이러한 보정 증착은 또한 기판 온도, 타겟 바이어스 (-V), 챔버 압력, 및 보정 시험 매트릭스 (calibration test matrix)에서 전체 유속과 같은 공정 파라미터를 포함해야 하는데, 이는 이러한 파라미터가 층 조성물에 또한 영향을 미칠 수 있기 때문이다). 간섭 필터층들의 스택의 증착이 완료된 후에, 공정 가스 흐름 및 바이어스 전압 (-V)은 제거되고 (다시, 특정 셧다운 순서 (shutdown sequence)는 특정 증착 시스템 등에 의존함), 공정 챔버 (10)는 대기압까지 상승되며, 개방되고, 및 코팅된 기판 (20)은 언로딩된다 (unloaded).
도 4를 참조하면, 이와 같이 제조된 간섭 필터 (100)의 개략도는 도시된다. 필터는 기판 (102) (예를 들어, 기판 원형 컨베이어 (14) 상에 초기에 로딩된 유리, 실리카, 또는 알루미나 기판) 및 a-Si:H,N (104) 및 SiO2 (106) 및/또는 Si3N4 (108)의 교대 층을 포함한다. 예시적인 간섭 필터 (100)에서, 기판 (102)에 바로 인접한 층은 a-Si:H,N 층 (104)이지만, 다른 구체 예에서는 유전체 층이 기판에 바로 인접할 수 있다. 예시적인 간섭 필터 (100)에서, 최상층은 a-Si:H,N 층 (104)이지만, 다른 구체 예에서 유전체 층이 최상층 일 수 있다. 예시적인 스택은, 디자인에 일치한다면 포함될 수 있는, 바로 인접한 SiO2/Si3N4 층들의 경우를 포함한다. 예시적인 간섭 필터 (100)는 기판 (102)의 대립 면 상에 층 스택 (110, 112)을 포함하는데, - 이러한 장치를 제조하기 위해, 스퍼터링 챔버는 개방될 필요가 있으며, 기판은 기판 원형 컨베이어 (14) 상에 "뒤집어 진다 (flipped over)". (선택적으로, 기판 원형 컨베이어 (14)는 챔버를 열지 않고 로봇식으로 수행될 수 있는 그러한 조작을 가능하도록 구성될 수 있다). 2개의 필터면 (110, 112)을 갖는 이러한 필터는, 예를 들어, 일 측면의 스택이 고-역 필터 (high-pass filter)이고, 다른 측면의 스택이 저역 필터인 통과대역 필터 일 수 있다 - 통과대역은 고역 필터 컷-오프 위 및 저역 필터 컷오프 아래 모두에 있는 파장 범위에 의해 정의된다.
이러한 종류의 필터의 알려진 적용은 실리콘 검출기 (silicon detectors)를 사용하는 적용이 있다. 이들 파장은, 검출기뿐만 아니라 광원이 존재하는, 활성 장치 (active device)에 특히 유용하다. 이 스펙트럼 영역에서, LEDs 및 레이저는 쉽게 이용 가능하고, 이는 저렴하고, 풍부하며, 효율적이다. 몇몇 주요 적용은, 인간-기계 (예를 들어, 컴퓨터)의 상호작용의 적외선 제스쳐 조절 (infrared gesture controls), 자동차용 적외선 암시 (night vision), LIDAR, 휴대 전화 및 다른 경우에 사용되는 보안 카메라 및 근접 CMOS 센서용 적외선 암시를 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 이들 적용에서, 유용한 파장은 700nm 내지 1100nm이다. 이 범위에서, a-Si:H,N은 광학 적용에 적절한 고 굴절률 물질이다. 이 범위에서 통상적 굴절률은 3.3∼3.5인 반면에, 그에 비해, TiO2는 약 2.3∼2.4의 굴절률을 갖는다. 몇몇 적절한 구체 예에서, a-Si:H,N 층들은 Si와 균형을 이루어 2% 내지 8%의 수소 및 3% 내지 7%의 질소를 포함한다. 일반적으로, 더 많은 수소 및 질소 함량은 더 짧은 파장 작동을 제공한다. 일반적으로, 6% 내지 12%만큼 높은 질소 농도는 고려된다.
예시적인 구체 예에서, a-Si:H,N 층 (104)은 SiO2 층 (106)과 교대를 이룬다. SiO2는 이러한 목적을 위하여, a-Si:H,N과의 양호한 화학적 상용성 및 a-Si:H,N과의 계면에서 큰 굴절률 단계를 제공하는 낮은 굴절률 (n~1.5)을 포함하는, 유리한 특성을 갖는다. 그러나, SiO2 층을 또 다른 유전체 층으로 대체하는 것이 고려된다. 예를 들어, 유전체는 정확한 SiO2 화학량론을 갖지 않을 수 있는데, 예를 들어, SiO2는 SiOx로 대체될 수 있고, 여기서 x는 정확히 2가 아니다 (여기서 "실리콘 아산화물 (silicon suboxide)"라고도 함).
또 다른 실시 예로서, 실리콘 산질화물 (SiOxNy) 층은 SiO2 대신에 유전체 층으로서 고려된다. 일반적으로, 질소를 첨가하여 SiOx로부터 SiOxNy로 진행하는 경우, 질소 함량에 따라 증가하는 굴절률: 예를 들어, 화학량론적 실리콘 질화물 (Si3N4)은 약 2.0의 굴절률을 갖는다. 그러나, 소량의 질소 (즉, SiOxNy 여기서 x~2 및 x>>y)는 a-Si:H,N 층 (104)과 인접한 유전체 층 사이에 계면 품질을 개선시키기 위해 고려된다. 이들 화합물은 새로운 물질 조합 및 연속적으로 변화하는 굴절률 프로파일을 구성을 허용하는 맞춤 굴절률을 제공한다.
구성 층들의 주어진 굴절률에 대해 구성 층 두께를 설계하기 위한 몇 가지 적절한 설계 방법은 다음에 기초한다. 일반적으로, 층에서 파장
Figure pct00014
은
Figure pct00015
으로 주어지고, 여기서
Figure pct00016
는 자유 공간 파장 (free space wavelength)이고, 및
Figure pct00017
은 굴절률이다. 더 높은 굴절률의 표면으로부터의 반사는 180°위상 이동 (phase shift)을 도입하지만, 더 낮은 굴절률의 표면으로부터의 반사에 의해 위상 이동은 도입되지 않는다. 이들 원리를 사용하고, 구성 층의 굴절률을 고려해 볼 때, 구성 층의 두께는, 설계-기준 통과대역 중심 파장에 대해, 다음 층과 이의 계면에서 반사되고 및 각 층을 통한 광학 경로 길이가 건설적으로 조합되도록, 즉, 파장의 정수 배수가 되도록 선택된다. 구성 층 두께 (및 이들이 또한 최적화된 파라미터인 경우 굴절률)를 선택하기 위한 좀 더 정교한 간섭 필터 설계 기술은: H. Angus Macleod, Thin-Film Optical Filters, Fourth Edition (Series in Optics and Optoelectronics, CRC Press 2010)에 제공된다.
예시적인 간섭 필터가 2층의 반복 단위를 포함하지만, 원하는 통과대역 특성 (예를 들어, 중심 파장, FWHM, 통과대역의 "평탄도 (flatness)", 등)을 달성하기 위해, a-Si:H,N 층 및 2개의 다른 유전체 층과 같은, 반복 단위에 3개 이상의 층을 혼입하는 것도 고려된다.
다양한 상기 개시된 및 다른 특색들 및 기능들, 또는 이들의 대안은, 바람직하게는 많은 다른 시스템 또는 적용으로 조합될 수 있음을 이해할 것이다. 기술분야의 당업자는 하기 청구항에 의해 포괄되는 것으로 의도되는 다양한 현재 예측할 수 없거나 예기치 못한 그 안에서 대안, 변경, 변화 또는 개선이 나중에 행해질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (34)

  1. 적어도:
    질소가 첨가된 비정질 수소화된 실리콘의 층들 (a-Si:H,N), 및
    상기 a-Si:H,N의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 하나 이상의 유전체의 층들의 복수의 층들을 포함하는 층 스택을 포함하는, 간섭 필터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 하나 이상의 유전체는 SiO2를 포함하는, 간섭 필터.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 하나 이상의 유전체는, 실리콘 아산화물 (SiOx)를 포함하는, 간섭 필터.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 하나 이상의 유전체 층은, 실리콘 산질화물 (SiOxNy)을 포함하는, 간섭 필터.
  5. 청구항 1에 있어서,
    하나 이상의 유전체의 층은 1.9 내지 2.7의 범위에서 굴절률을 갖는 유전체의 층을 포함하는, 간섭 필터.
  6. 청구항 5에 있어서,
    1.9 내지 2.7의 범위에서 굴절률을 갖는 유전체의 층들은, Si3N4, 1.9 이상의 굴절률을 제공하기에 충분히 큰 y를 갖는 SiOxNy, Ta2O5, Nb2O5, 또는 TiO2를 포함하는 하나 이상의 층들을 포함하는, 간섭 필터.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 하나 이상의 유전체의 층들은 SiO2 층들을 더욱 포함하는, 간섭 필터.
  8. 청구항 1-7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 층 스택은 800-1100 nm 범위에서 통과대역 중심 파장을 갖도록 구성되는, 간섭 필터.
  9. 청구항 1-7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 층 스택은 750-1100 nm 범위에서 통과대역 중심 파장을 갖도록 구성되는, 간섭 필터.
  10. 청구항 1-9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 a-Si:H,N은 1 내지 4% 수소 및 2 내지 6% 질소의 원자 농도를 갖는, 간섭 필터.
  11. 청구항 1-10 중 어느 한 항에 있어서,
    층 스택을 지지하는 투명 기판을 더욱 포함하는, 간섭 필터.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 투명 기판은 유리 기판을 포함하는, 간섭 필터.
  13. 청구항 11-12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 층 스택은, 투명 기판의 일 면에 제1층 스택 및 상기 투명 기판의 반대 면에 제2층 스택을 포함하는, 간섭 필터.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제1층은, 저역 차단 파장을 갖는 저역 필터를 한정하고, 상기 제2층 스택은, 고역 차단 파장을 갖는 고역 필터를 한정하며, 및 상기 간섭 필터는 상기 고역 차단 파장과 저역 차단 파장 사이에 한정된 통과대역을 갖는, 간섭 필터.
  15. a-Si:H,N 및 실리콘계 유전체 층을 교대로 포함하는 층 스택을 포함하는 간섭 필터로서;
    여기서, 상기 간섭 필터는 750-1100 nm의 범위에서 중심 파장을 갖는 적어도 하나의 통과대역을 갖는, 간섭 필터.
  16. 청구항 15에 있어서,
    800-1100 nm 범위에서 중심 파장을 갖는 적어도 하나의 통과대역을 갖는, 간섭 필터.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 통과대역 중심 파장은 850 ㎚인, 간섭 필터.
  18. 청구항 15-17 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실리콘계 유전체 층은 실리콘 산화물 (SiOx) 층을 포함하는, 간섭 필터.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 실리콘 산화물 (SiOx) 층은 화학량론적 SiO2 층을 포함하는, 간섭 필터.
  20. 청구항 15-17 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실리콘계 유전체 층은, 실리콘 산질화물 (SiOxNy) 층을 포함하는, 간섭 필터.
  21. 청구항 15-20 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 a-Si:H,N은 4% 내지 8% 수소 및 2% 내지 12% 질소의 원자 농도를 갖는, 간섭 필터.
  22. 청구항 15-21 중 어느 한 항에 있어서,
    층 스택을 지지하는 투명 기판을 더욱 포함하는, 간섭 필터.
  23. 청구항 22에 있어서,
    상기 투명 기판은 유리 기판을 포함하는, 간섭 필터.
  24. a-Si:H,N 및 SiOx 층을 교대로 포함하는 간섭 필터를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은:
    실리콘 타겟으로부터 필터 기판상으로 실리콘을 스퍼터링하는 단계; 및
    상기 스퍼터링 동안, a-Si:H,N을 증착시키기 위해 수소와 질소를 포함하는 공정 가스, 및 (ii) SiOx를 증착시키기 위해 산소를 포함하는 공정 가스를 교대시키는 단계를 포함하는, 간섭 필터의 제조방법.
  25. 청구항 24에 있어서,
    상기 스퍼터링은:
    상기 실리콘 타겟에 음의 바이어스를 인가하는 단계; 및
    (i) 수소 및 질소를 포함하는 공정 가스 및 (ii) 산소를 포함하는 공정 가스 모두에 불활성 가스 성분을 포함시키는 단계를 포함하는, 간섭 필터의 제조방법.
  26. 청구항 25에 있어서,
    상기 불활성 가스는 아르곤인, 간섭 필터의 제조방법.
  27. 청구항 24-26 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스퍼터링 및 교대시키는 단계는 800-1000 nm 범위에서 통과대역 중심 파장을 갖는 간섭 필터를 제조하도록 구성되는, 간섭 필터의 제조방법.
  28. 청구항 24-26 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스퍼터링 및 교대시키는 단계는 750-1000 nm 범위의 통과대역 중심 파장을 갖는 간섭 필터를 제조하도록 구성되는, 간섭 필터의 제조방법.
  29. 적어도:
    비정질 수소화된 실리콘의 층들, 및
    1.9 내지 2.7 범위에서 굴절률을 갖는 유전체의 층을 포함하는 상기 비정질 수소화된 실리콘의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 하나 이상의 유전체의 층들의 복수의 층들을 포함하는 층 스택을 포함하는, 간섭 필터.
  30. 청구항 29에 있어서,
    1.9 내지 2.7의 범위에서 굴절률을 갖는 유전체의 층들은, Si3N4, 1.9 이상의 굴절률을 제공하기에 충분히 큰 y를 갖는 SiOxNy, Ta2O5, Nb2O5, 또는 TiO2를 포함하는 하나 이상의 층들을 포함하는, 간섭 필터.
  31. 청구항 29-30 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 유전체의 층들은 SiO2 층을 더욱 포함하는, 간섭 필터.
  32. 청구항 31에 있어서,
    상기 층 스택은, 비정질 수소화된 실리콘의 간섭 층이 없는 1.9 내지 2.7 범위에서 굴절률을 갖는 유전체의 층에 바로 인접한 적어도 하나의 SiO2 층을 포함하는, 간섭 필터.
  33. 청구항 29-32 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비정질 수소화된 실리콘은 질소를 포함하는, 간섭 필터.
  34. 청구항 33에 있어서,
    상기 질소를 포함하는 비정질 수소화된 실리콘은 1 내지 4% 수소 및 2 내지 6% 질소의 원자 농도를 갖는, 간섭 필터.
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