KR20200034500A - 다층 박막 구조물 및 이를 이용한 위상 변환 소자 - Google Patents

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KR20200034500A
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Abstract

다층 박막 구조물 및 이를 이용한 위상 변환 소자가 개시된다. 개시된 다층 박막 구조물은 결정화 방지층과 유전체층이 적어도 1회 이상 반복하여 적층된 구조를 포함할 수 있다. 여기서 결정화 방지층은 비정질 재료를 포함하며, 결정화 방지층의 두께는 상기 유전체층 의 두께보다 작다.

Description

다층 박막 구조물 및 이를 이용한 위상 변환 소자 {Multi-layer structure and phase shift device using the multi-layer structure}
개시된 실시예들은 다층 박막 구조물 및 이를 이용한 위상 변환 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 가시광에 대해 높은 굴절률과 낮은 소멸계수를 갖는 물질을 결정화시키지 않고 적층한 다층 박막 구조물 및 이를 이용하여 가시광 대역에서 동작하는 위상 변환 소자에 관한 것이다.
빛의 파장보다 작은 유전체 구조물들의 배열을 이용하면 자연에서 일반적으로 발견될 수 없는 특이한 전기적, 광학적 성질을 갖는 광학 소자를 제작할 수 있다. 이러한 광학 소자의 제작을 위해서는 해당하는 빛의 파장에서 높은 굴절률과 낮은 흡수율을 갖는 재료를 사용한다. 예를 들어, 1550 nm 파장의 적외선 대역에서 굴절률이 3.5 이상으로 높고 소멸 계수(extinction coefficient)가 1×10-5 이하인 실리콘(Si)을 주로 사용하고 있다. 그러나 실리콘은 가시광 대역의 짧은 파장에서는 빛의 흡수가 커지기 때문에 가시광 용의 광학 소자에서는 사용하기 어렵다.
한편, 가시광 대역에서 소멸 계수가 낮고 굴절률이 높은 물질은 표면 거칠기가 큰 비정질(amorphous)보다는 결정화상(crystalline phase)이 열역학적으로 안정하기 때문에, 증착되는 박막의 두께가 두꺼워지면 쉽게 결정화된다. 그러면, 표면 거칠기가 커지게 되어, 노광 및 에칭 공정을 포함하는 통상적인 반도체 공정을 이용한 패터닝이 어려워진다.
가시광에 대해 높은 굴절률과 낮은 소멸계수를 갖는 물질을 결정화시키지 않고 적층한 다층 박막 구조물을 제공한다.
또한, 가시광 대역에서 동작하는 위상 변환 소자를 제공한다.
일 실시예에 따른 다층 박막 구조물은, 결정화 방지층; 및 상기 결정화 방지층 상에 배치된 유전체층;을 포함하며, 상기 결정화 방지층은 비정질 재료를 포함하고, 상기 결정화 방지층의 두께는 상기 유전체층 의 두께보다 작고, 상기 결정화 방지층과 상기 유전체층이 적어도 1회 이상 반복하여 적층될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 다층 박막 구조물은 비정질 기판을 더 포함하며, 상기 비정질 기판 위에 상기 유전체층이 배치되고, 상기 유전체층 위에 상기 결정화 방지층과 상기 유전체층이 번갈아 적층될 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 다층 박막 구조물은 결정질 기판을 더 포함하며, 상기 결정질 기판 위에 상기 결정화 방지층과 상기 유전체층이 번갈아 적층될 수 있다.
예를 들어, 가시광 대역에서 상기 유전체층의 굴절률은 2.4 이상이고 상기 유전체층의 소멸계수는 1×10-5 이하이다.
예를 들어, 가시광 대역에서 상기 결정화 방지층의 소멸계수는 1×10-5 이하이다.
예를 들어, 상기 유전체층은 비정질 재료 또는 결정립의 크기가 100 nm 이하인 결정 재료를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 유전체층의 두께는 50 nm 내지 500 nm의 범위 내에 있고, 상기 결정화 방지층의 두께는 0 nm보다 크고 10 nm 이하이다.
예를 들어, 상기 결정화 방지층의 두께의 합은 모든 유전체층들과 모든 결정화 방지층들의 전체 두께의 5% 이하이다.
예를 들어, 상기 결정화 방지층은 비정질 SiO2, 비정질 Si3N4, 또는 비정질 Al2O3를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 유전체층은 비정질 TiO2, 비정질 GaP, 비정질 GaN, 또는 비정질 AlAs를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 다층 박막 구조물의 최상부 표면의 표면 거칠기의 제곱 평균(RMS)이 2.5 nm 이하이다.
다른 실시예에 따른 위상 변환 소자는 가시광의 파장보다 작은 크기를 갖는 다수의 위상 변환 패턴을 포함하며, 각각의 위상 변환 패턴은 적어도 1회 이상 반복하여 적층되어 있는 결정화 방지층과 유전체층;을 포함하고, 상기 결정화 방지층은 비정질 재료를 포함하고, 상기 결정화 방지층의 두께는 상기 유전체층 의 두께보다 작을 수 있다.
각각의 위상 변환 패턴은 제 1 방향으로 연장된 막대 또는 슬릿의 형태를 가지며, 다수의 위상 변환 패턴은 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 따라 1차원 배열될 수 있다.
상기 다수의 위상 변환 패턴은 2차원 배열되어 있으며, 각각의 위상 변환 패턴은 정사각형, 직사각형, 원형, 또는 타원형의 형태를 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 위상 변환 소자는 가시광 대역 또는 근적외선 영역에서 평판형 렌즈, 평판형 컬러 필터, 평판형 빔 편향기, 또는 평판형 분광기로 작용하도록 구성될 수 있다.
개시된 실시예에 따르면, 가시광 대역 또는 근적외선 대역에서 소멸 계수가 낮고 굴절률이 높은 물질을 결정화시키지 않으면서 위상 변환 소자를 제작하기에 충분한 두께로 적층할 수 있다. 따라서, 가시광 대역 또는 근적외선 대역에서 동작할 수 있는 위상 변환 소자를 제작할 수 있다. 또한, 이러한 위상 변환 소자를 이용하여, 가시광 대역 또는 근적외선 대역에서 작용하는 다양한 광학 소자, 예를 들어, 평판형 렌즈, 평판형 컬러 필터, 평판형 빔 편향기, 또는 평판형 분광기 등을 제작할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 다층 박막 구조물의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 다층 박막 구조물의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 다층 박막 구조물의 제작 예를 보이는 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 다층 박막 구조물에서 결정화 방지층의 두께에 따른 반사도의 변화를 보이는 그래프이다.
도 5는 실제 제작된 다층 박막 구조물의 단면 사진을 보인다.
도 6은 도 5에 도시된 다층 박막 구조물의 상부 표면을 보이는 사진이다.
도 7은 비교예에 따른 박막 구조물의 단면과 상부 표면을 보이는 사진이다.
도 8은 도 7에 도시된 박막 구조물의 두께를 증가시킨 후의 단면과 상부 표면을 보이는 사진이다.
도 9는 일 실시예에 따른 다층 박막 구조물의 굴절률을 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 10은 일 실시예에 따른 위상 변환 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 11은 일 실시예에 따른 위상 변환 소자의 예시적인 위상 변환 패턴들의 형태를 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 12는 다른 실시예에 따른 위상 변환 소자의 예시적인 위상 변환 패턴들의 형태를 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 13은 또 다른 실시예에 따른 위상 변환 소자의 예시적인 위상 변환 패턴들의 형태를 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 14는 또 다른 실시예에 따른 위상 변환 소자의 예시적인 위상 변환 패턴들의 형태를 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 15는 나노 격자 형태의 위상 변환 패턴을 갖도록 실제로 제작된 위상 변환 소자의 표면 사진이다.
도 16은 나노 기둥 형태의 위상 변환 패턴을 갖도록 실제로 제작된 위상 변환 소자의 표면 사진이다.
도 17은 도 15 및 도 16에 도시된 위상 변환 소자에서 위상 변환 패턴의 폭의 변화에 따른 위상 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 18은 일 실시예에 따른 평판형 렌즈의 나노 기둥 형태의 위상 변환 패턴들의 배열을 개략적으로 보인다.
도 19는 도 18에 도시된 평판형 렌즈의 위치에 따른 위상 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 20은 도 18에 도시된 평판형 렌즈의 동작을 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 21은 일 실시예에 따른 평판형 빔 편향기의 나노 기둥 형태의 위상 변환 패턴들의 배열을 개략적으로 보인다.
도 22는 도 21에 도시된 평판형 빔 편향기의 위치에 따른 위상 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 23은 도 21에 도시된 평판형 빔 편향기의 동작을 예시적으로 보이는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 다층 박막 구조물 및 이를 이용한 위상 변환 소자에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 또는 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위/아래/좌/우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위/아래/좌/우에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 다층 박막 구조물의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 다층 박막 구조물(10)은 결정화 방지층(13)과 고굴절률의 투광성 유전체층(12)을 번갈아 적층한 구조를 포함한다. 본 실시예에서, 고굴절률은 가시광 대역(450 nm 내지 750 nm) 또는 근적외선 대역(750 nm 내지 1000 nm)에서 공기의 굴절률보다 약 1.4 이상 높은 약 2.4 이상의 굴절률로 정의될 수 있으며, 또한 투광성은 가시광 대역 또는 근적외선 대역에서 소멸 계수(extinction coefficient)가 1×10-5 이하인 것을 의미할 수 있다. 이러한 조건을 만족하는 고굴절률의 투광성 유전체층(12)의 재료는, 예를 들어, TiO2, GaP, GaN, 또는 AlAs를 포함할 수 있다. 이들은 모두 550 nm의 파장에서 소멸 계수가 1×10-5 이하이다. 또한, TiO2는 550 nm의 파장에 대해 약 2.453의 굴절률 가지며, GaP의 굴절률은 550 nm의 파장에서 약 3.450이고, GaN의 굴절률은 550 nm의 파장에서 약 2.408이고, AlAs의 굴절률은 550 nm의 파장에서 약 3.248이다.
TiO2, GaP, GaN, AlAs 등과 같은 재료는 두께를 증가시키면 결정화에 의해 표면 거칠기(surface roughness)의 제곱 평균(RMS)이 증가하기 때문에, 반도체 공정을 통해 임계 치수(critical dimension) 100 nm 이하 규모의 나노 구조물을 제작하기가 어렵다. 본 실시예는 TiO2, GaP, GaN, AlAs 등으로 이루어진 유전체층(12) 사이에 결정화 방지층(13)을 삽입함으로써 유전체층(12)의 결정화를 억제할 수 있다. 결정화 방지층(13)은 비정질 상태를 안정적으로 유지하면서 가시광 대역 또는 근적외선 대역에서 소멸 계수가 1×10-5 이하인 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이러한 조건을 만족하는 결정화 방지층(13)의 재료는 SiO2, Si3N4, 또는 Al2O3를 포함할 수 있다. 결정화 방지층(13)은 상술한 재료의 비정질 상으로 이루어진다.
대신에, 유전체층(12)의 표면에 이온 주입(ion implantation)을 함으로써 결정화 방지층(13)을 형성할 수도 있다. 예를 들어, 유전체층(12)을 형성한 후에, 유전체층(12)의 표면에 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 크세논(Xe), 네온(Ne) 등의 비활성 원소, 실리콘(Si), 게르마늄(Ge) 등의 4족 원소, 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등의 3족 원소, 또는 질소(N), 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등의 5족 원소를 이온 주입한다. 그러면, 유전체층(12)의 표면에 상술한 이온이 집중 분포되어 결정화 방지층(13)이 형성된다. 그리고, 그 위에 다시 유전체층(12)을 증착할 수 있다.
다층 박막 구조물(10)은 또한 비정질 기판(11)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(11)으로서 유리(glass), 수정(quartz), 용융 실리카(fused silica), 또는 비정질 사파이어(Al2O3)를 포함할 수 있다.
기판(11)이 비정질 재료로 이루어지는 경우, 기판(11) 위에 유전체층(12)이 먼저 증착될 수 있다. 그리고, 유전체층(12) 위에 결정화 방지층(13)이 증착되고, 결정화 방지층(13) 위에 유전체층(12)이 다시 증착될 수 있다. 이러한 방식으로 유전체층(12)과 결정화 방지층(13)이 번갈아 적층될 수 있다. 유전체층(12)과 결정화 방지층(13)의 증착 방법은, 예를 들어, 스퍼터링(sputtering), 전자빔 증착(E-beam evapoarion), 플라즈마 보조 화학기상 증착법(PECVD; Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 유기 금속 화학 증착법(MOCVD; Metalorganic vapour phase epitaxy sputtering), 원자층 증착법(ALD; Atomic Layer Deposition) 등을 포함할 수 있다. 대신에, 유전체층(12)을 상술한 증착 방법으로 증착한 후에, 이온 주입법으로 유전체층(12)의 표면에 이온을 주입함으로써 결정화 방지층(13)을 형성할 수도 있다.
도 1에는 예시적으로 4개의 유전체층(12)과 3개의 결정화 방지층(13)이 기판(11) 위에 적층된 것으로 도시되었지만, 이는 단지 예시일 뿐이다. 예를 들어, 다층 박막 구조물(10)은 2개의 유전체층(12)과 단지 하나의 결정화 방지층(13)만을 포함할 수도 있다. 또한, 도 1에 도시된 것보다 더 많은 수의 유전체층(12)과 결정화 방지층(13)이 적층될 수도 있다. 예를 들어, 유전체층(12)과 결정화 방지층(13)들의 전체 두께는 약 200 nm 내지 약 2000 nm의 범위 내에 있으며, 각각의 유전체층(12)의 두께와 각각의 결정화 방지층(13)의 두께를 고려하여, 유전체층(12)과 결정화 방지층(13)의 개수를 결정할 수 있다.
유전체층(12)을 적층할 때, 하나의 유전체층(12)의 두께를 지나치게 크게 하면 적층 과정에서 유전체층(12)이 결정화될 수 있다. 따라서, 유전체층(12)이 결정화되지 않을 정도의 두께까지만 유전체층(12)을 적층한 다음, 그 위에 결정화 방지층(13)을 적층할 수 있다. 예를 들어, 하나의 유전체층(12)의 두께는 약 50 nm 내지 약 500 nm의 범위 내에 있을 수 있다.
도 2는 다른 실시예에 따른 다층 박막 구조물의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 2를 참조하면, 다층 박막 구조물(10a)은 결정질의 기판(11)을 포함할 수 있다. 이 경우, 기판(11) 위에 유전체층(12)을 바로 적층하면, 유전체층(12)이 결정화될 수 있다. 따라서, 결정화 방지층(13)과 투광성 유전체층(12)의 적층 순서는 기판(11)의 종류에 따라 달라질 수 있다. 기판(11)이 결정질인 경우에는, 도 2에 도시된 바와 같이, 기판(11) 위에 결정화 방지층(13)을 먼저 증착하고, 그 위에 유전체층(12)을 증착한다.
한편, 기판(11)의 종류와 관계 없이, 도 1에 도시된 다층 박막 구조물(10)과 도 2에 도시된 다층 박막 구조물(10a)의 최상부에는 유전체층(12)이 위치한다. 따라서, 기판(11)이 비정질인 경우에, 유전체층(12)의 개수는 결정화 방지층(13)의 개수보다 한 개가 더 많다. 그리고, 기판(11)이 결정질인 경우에, 유전체층(12)의 개수와 결정화 방지층(13)의 개수는 동일하다.
결정화 방지층(13)은 유전체층(12)에 비하여 굴절률이 작기 때문에, 다층 박막 구조물(10, 10a)에서 결정화 방지층(13)의 비율이 커지면 다층 박막 구조물(10, 10a)이 고굴절 특성을 잃을 수 있다. 유전체층(12)에 의한 영향을 알아보기 위하여 다층 박막 구조물(10)에 대한 모의 실험을 하였다. 예를 들어, 도 3은 도 1에 도시된 다층 박막 구조물(10)의 제작 예를 보이는 단면도이다. 도 3을 참조하면, 유리 기판(11) 위에 3개의 유전체층(12)과 2개의 결정화 방지층(13)을 번갈아 적층하였다. 여기서, 유전체층(12)은 200 nm의 두께를 가지며 TiO2로 이루어진 것으로 가정하였고, 결정화 방지층(13)은 SiO2로 이루어진 것으로 가정하였다.
도 4는 도 3에 도시된 다층 박막 구조물(10)에서 결정화 방지층(13)의 두께에 따른 반사도의 변화를 보이는 그래프이다. 도 4를 참조하면, 결정화 방지층(13)이 존재하지 않는 경우, 즉 결정화 방지층(13)의 두께가 0 nm인 경우에 다층 박막 구조물(10)의 반사도는 약 4%였다. 그리고, 결정화 방지층(13)의 두께가 5 nm인 경우에 다층 박막 구조물(10)의 반사도는 약 4%를 유지하였다. 그러나, 결정화 방지층(13)의 두께가 더 증가하면서 다층 박막 구조물(10)의 반사도가 점차 증가하게 된다. 특히, 결정화 방지층(13)의 두께가 10 nm에서 20 nm로 증가하면서 다층 박막 구조물(10)의 반사도가 약 8%에서 38%로 크게 증가하는 것을 알 수 있다. 결과적으로, 다층 박막 구조물(10, 10a)에서 결정화 방지층(13)의 비율이 커지면 다층 박막 구조물(10, 10a)이 고굴절 특성을 잃을 뿐만 아니라, 빛에 대한 다층 박막 구조물(10, 10a)의 투과율도 낮아지게 된다.
이러한 결과를 고려하여, 하나의 결정화 방지층(13)의 두께는 하나의 유전체층(12)의 두께보다 크게 작을 수 있다. 예를 들어, 하나의 결정화 방지층(13)의 두께는 0 nm보다 크고 약 10 nm 이하로 제한될 수 있다. 또한, 결정화 방지층(13)들의 두께의 합은 모든 유전체층(12)들과 모든 결정화 방지층(13)들의 전체 두께의 5% 이하로 제한될 수 있다.
도 5는 실제 제작된 다층 박막 구조물(10)의 단면 사진을 보인다. 도 5를 참조하면, 유리 기판(11) 위에 유전체층(12)으로서 약 200 nm 두께로 TiO2를 증착하고, 결정화 방지층(13)으로서 약 5 nm 두께로 SiO2를 증착하고, 그 위에 다시 유전체층(12)으로서 약 200 nm 두께로 TiO2를 증착하였다.
또한, 도 6은 도 5에 도시된 다층 박막 구조물(10)의 상부 표면을 보이는 사진이다. 도 6에 도시된 사진은 다층 박막 구조물(10)의 최상부 표면을 약 50°의 각도로 경사지게 찍은 것이다. 도 6을 참조하면, 다층 박막 구조물(10)의 최상부 표면이 매우 매끄러운 것을 확인할 수 있다.
도 7은 비교예에 따른 박막 구조물의 단면과 상부 표면을 보이는 사진이다. 도 7에 도시된 사진은 유리 기판 위에 약 210 nm의 두께로 TiO2를 증착하여 비교예에 따른 박막 구조물을 형성하고 이를 약 50°의 각도로 경사지게 찍은 것이다. 도 7을 참조하면, 210 nm의 두께까지는 TiO2가 결정화되지 않아서 상부 표면이 매끄러운 것을 알 수 있다.
또한, 도 8은 도 7에 도시된 박막 구조물의 두께를 증가시킨 후의 단면과 상부 표면을 보이는 사진이다. 도 8을 참조하면, TiO2를 계속 증착하여 두께가 약 415 nm가 되었을 때, TiO2가 부분적으로 결정화되면서 상부 표면에 거친 결정 입자들이 보이는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 유전체층(12) 사이에 결정화 방지층(13)을 삽입함으로써 다층 박막 구조물(10, 10a)의 두께를 충분히 두껍게 형성하면서도, 유전체층(12)의 재료의 결정화를 방지할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 다층 박막 구조물(10, 10a)에서 유전체층(12)의 재료는 비정질 상태를 유지할 수 있다. 또는, 유전체층(12)의 재료가 일부 결정화될 수도 있지만 결정립의 크기를 100 nm 이하로 억제할 수 있다. 그러면, 다층 박막 구조물(10, 10a)의 최상부 표면의 표면 거칠기의 제곱 평균(RMS)을 2.5 nm 이하로 유지할 수 있다.
또한, 도 9는 일 실시예에 따른 다층 박막 구조물(10)의 굴절률을 예시적으로 보이는 그래프이다. 다층 박막 구조물(10)은 전체 400 nm 두께의 TiO2사이에 5 nm 두께의 SiO2를 삽입한 구조를 갖는다. 도 9에서 비교를 위하여, Si3N4, Al2O3, SiO2, 및 TiO2의 굴절률을 함께 표시하였다. 도 9의 그래프를 참조하면, 다층 박막 구조물(10)의 굴절률은 Si3N4, Al2O3, 및 SiO2의 굴절률보다 훨씬 크고 TiO2의 굴절률과 거의 유사한 것을 알 수 있다. 예를 들어, 550 nm의 파장에서 다층 박막 구조물(10)의 굴절률은 TiO2의 굴절률보다 단지 0.013 정도 작을 뿐이다. 따라서, 유전체층(12)들 사이에 결정화 방지층(13)을 삽입하더라도, 결정화 방지층(13)의 두께가 작으면 고굴절률 특성을 유지한다는 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 다층 박막 구조물(10, 10a)은 가시광 대역 또는 근적외선 대역에서 충분히 높은 굴절률과 충분히 낮은 소멸 계수를 가질 수 있다. 또한, 유전체층(12)이 거의 결정화되지 않기 때문에 상부 표면의 표면 거칠기가 충분히 낮을 수 있다. 따라서, 다층 박막 구조물(10, 10a)은 노광 및 에칭을 포함하는 일반적인 반도체 공정을 이용하여 나노 규모의 패턴으로 패터닝될 수 있다. 이렇게 다층 박막 구조물(10, 10a)을 나노 규모의 패턴으로 패터닝함으로써 가시광 대역 또는 근적외선 대역에서 작동하는 다양한 광학 소자들을 제작할 수 있다.
예를 들어, 도 10은 일 실시예에 따른 위상 변환 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 10을 참조하면, 위상 변환 소자(20)는 가시광의 파장보다 작은 크기를 갖는 다수의 위상 변환 패턴(15)을 포함할 수 있다. 여기서, 다수의 위상 변환 패턴(15)은 상술한 다층 박막 구조물(10, 10a)을 패터닝하여 형성될 수 있다. 따라서, 각각의 위상 변환 패턴(15)은 적어도 1회 이상 반복하여 적층되어 있는 결정화 방지층(13)과 고굴절률의 투광성 유전체층(12)을 포함할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 기판(11)이 비정질 기판인 경우, 각각의 위상 변환패턴(15)은 기판(11) 위에 유전체층(12)과 결정화 방지층(13)의 순서로 반복 적층된 다층 박막 구조를 포함하며, 최상부에는 유전체층(12)이 배치된다. 그리고, 기판(11)이 결정질 기판인 경우, 각각의 위상 변환 패턴(15)은 기판(11) 위에 결정화 방지층(13)과 유전체층(12)의 순서로 반복 적층된 다층 박막 구조를 포함한다. 그 외에도, 위상 변환 패턴(15)의 구조는 전술한 유전체층(12)과 결정화 방지층(13)을 포함하는 다층 박막 구조물(10, 10a)의 구조와 동일할 수 있다.
각각의 위상 변환 패턴(15)의 폭(W), 인접한 2개의 위상 변환 패턴(15) 사이의 간격(S), 및 위상 변환 패턴(15)의 높이(H)는 위상 변환 소자(20)의 용도 및 입사광의 파장에 따라 다양하게 결정될 수 있다. 가시광 대역 또는 근적외선 대역에서 동작하기 위하여, 각각의 위상 변환 패턴(15)의 폭(W)과 인접한 2개의 위상 변환 패턴(15) 사이의 간격(S)은 가시광의 파장보다 작을 수 있다. 예를 들어, 각각의 위상 변환 패턴(15)의 폭(W)과 인접한 2개의 위상 변환 패턴(15) 사이의 간격(S)은 100 nm 내지 700 nm의 범위 내에 있을 수 있다. 또한, 각각의 위상 변환 패턴(15)의 높이(H)는 200 nm 내지 약 2000 nm의 범위 내에 있을 수 있다.
목표로 하는 위상 변환 소자(20)의 광학적 특성에 따라 다수의 위상 변환 패턴(15)은 다양한 형태와 배열을 가질 수 있다. 위상 변환 패턴(15)의 폭(W)이나 인접한 2개의 위상 변환 패턴(15) 사이의 간격(S)은 위상 변환 소자(20) 상의 위치에 따라 국소적으로 달라질 수 있다. 예를 들어, 위상 변환 패턴(15)의 폭(W)이나 인접한 2개의 위상 변환 패턴(15) 사이의 간격(S)이 점진적으로 커지거나 작아질 수도 있고, 또는 불규칙적으로 변화할 수도 있다. 다수의 위상 변환 패턴(15)들이 위상 변환 소자(20)의 전체 영역 내에서 비주기적으로 배열될 수도 있으며, 또는 위상 변환 소자(20) 상의 특정 영역 내에서 국소적으로 주기적으로 배열될 수도 있다.
예를 들어, 도 11은 일 실시예에 따른 위상 변환 소자(20a)의 예시적인 위상 변환 패턴(15)들의 형태를 개략적으로 보이는 사시도이다. 도 11을 참조하면, 각각의 위상 변환 패턴(15)은 제 1 방향으로 연장된 막대의 형태를 가질 수 있다. 그리고, 다수의 위상 변환 패턴(15)이 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 따라 1차원 배열될 수 있다. 다수의 위상 변환 패턴(15)은 서로 다른 폭(W)을 가질 수 있다. 도 11에는 제 2 방향을 따라 위상 변환 패턴(15)들의 폭(W)이 점진적으로 줄어드는 것으로 도시되었으나, 이는 단지 일 예일 뿐이다. 다른 설계에 따라서는 위상 변환 패턴(15)들의 폭(W)이 주기적으로 또는 불규칙하게 변할 수도 있다. 또한, 다수의 위상 변환 패턴(15)이 동일한 폭(W)을 갖고, 위상 변환 패턴(15)들 사이의 간격(S)이 달라질 수도 있다.
도 12는 다른 실시예에 따른 위상 변환 소자(20b)의 예시적인 위상 변환 패턴(15)들의 형태를 개략적으로 보이는 사시도이다. 도 12를 참조하면, 각각의 위상 변환 패턴(15)은 제 1 방향으로 연장된 슬릿의 형태를 가질 수 있다. 그리고, 다수의 위상 변환 패턴(15)이 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 따라 1차원 배열될 수 있다. 예를 들어, 일반적인 반도체 공정을 통해 다층 박막 구조물(10, 10a)에 일직선 형태의 홈을 형성하여 도 12에 도시된 위상 변환 소자(20a)를 제작할 수 있다.
또한, 도 13은 또 다른 실시예에 따른 위상 변환 소자(20c)의 예시적인 위상 변환 패턴(15)들의 형태를 개략적으로 보이는 사시도이다. 도 13을 참조하면, 각각의 위상 변환 패턴(15)은 정사각형 또는 직사각형의 형태를 가질 수 있다. 그리고, 다수의 위상 변환 패턴(15)이 2차원 배열될 수 있다. 다수의 위상 변환 패턴(15)의 폭(W) 또는 다수의 위상 변환 패턴(15)들 사이의 간격(S)이 위상 변환 소자(20c) 상의 영역에 따라 국소적으로 변화할 수 있다. 이러한 위상 변환 소자(20c)는 일반적인 반도체 공정을 통해 다층 박막 구조물(10, 10a)을 패터닝함으로써 제작될 수 있다.
또한, 도 14는 또 다른 실시예에 따른 위상 변환 소자(20d)의 예시적인 위상 변환 패턴(15)들의 형태를 개략적으로 보이는 사시도이다. 도 14를 참조하면, 각각의 위상 변환 패턴(15)은 원형 또는 타원형의 형태를 가질 수 있으며, 다수의 위상 변환 패턴(15)이 2차원 배열될 수 있다.
그 밖에도, 각각의 위상 변환 패턴(15)은 다양한 형태들을 가질 수 있다. 예를 들어, 각각의 위상 변환 패턴(15)은 육각형과 같은 다른 다각형 형태를 가질 수도 있다. 또한, 각각의 위상 변환 패턴(15)은 원형, 타원형, 또는 다각형 형태을 갖는 홀(hole)일 수도 있다.
도 15는 나노 격자 형태의 위상 변환 패턴(15)을 갖도록 실제로 제작된 한 위상 변환 소자의 표면 사진이다. 위상 변환 패턴(15)의 폭이 다른 4 종류의 위상 변환 소자를 제작하고, 4 종류의 위상 변환 소자에 의한 위상 지연을 측정하였다. 4 종류의 위상 변환 소자들의 위상 변환 패턴(15)의 폭(W)은 각각 120 nm, 180 nm, 240 nm, 300 nm이었다. 그리고, 위상 변환 패턴(15)들의 배열의 격자 상수는 455 nm이었다. 따라서, 4 종류의 위상 변환 소자들의 위상 변환 패턴(15)들 사이의 간격(S)은 각각 335 nm, 275 nm, 215 nm, 155 nm이었다. 위상 변환 패턴(15)은 TiO2와 SiO2를 이용하여 다층 박막 구조물(10)을 400 nm의 높이로 형성한 후, 노광 및 에칭 공정을 통해 다층 박막 구조물(10)을 패터닝함으로써 형성되었다.
또한, 도 16은 나노 기둥 형태의 위상 변환 패턴(15)을 갖도록 실제로 제작된 한 위상 변환 소자의 표면 사진이다. 각각의 위상 변환 패턴(15)은 원기둥 형태를 갖는다. 위상 변환 패턴(15)의 직경이 다른 4 종류의 위상 변환 소자를 제작하고, 4 종류의 위상 변환 소자에 의한 위상 지연을 측정하였다. 4 종류의 위상 변환 소자들의 위상 변환 패턴(15)의 직경은 각각 120 nm, 180 nm, 240 nm, 300 nm이었다. 그리고, 위상 변환 패턴(15)들의 배열의 격자 상수는 455 nm이었다. 위상 변환 패턴(15)은 TiO2와 SiO2를 이용하여 다층 박막 구조물(10)을 200 nm의 높이로 형성한 후, 노광 및 에칭 공정을 통해 다층 박막 구조물(10)을 패터닝함으로써 형성되었다.
도 17은 도 15 및 도 16에 도시된 위상 변환 소자에서 위상 변환 패턴(15)의 폭 또는 직경의 변화에 따른 위상 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 17에서 G1, G2, G3, G4는 폭이 다른 나노 격자 형태의 위상 변환 패턴(15)들을 갖는 위상 변환 소자를 나타내고, P1, P2, P3, P4는 직경이 다른 나노 기둥 형태의 위상 변환 패턴(15)들을 갖는 위상 변환 소자를 나타낸다.
도 17을 참조하면, 나노 격자 형태의 위상 변환 패턴(15)들을 갖는 위상 변환 소자에서 위상 변환 패턴(15)의 폭이 120 nm, 180 nm, 240 nm, 300 nm로 변화할 때, 위상 변환 소자에 의한 위상 지연은 각각 126°, 81°, 31°, -8°로 변하였다. 따라서, 위상 변환 패턴(15)의 폭이 커질수록 위상 지연이 감소하였다. 예시된 나노 격자 형태의 위상 변환 패턴(15)들을 갖는 위상 변환 소자에서 최대 위상 지연과 최소 위상 지연 사이의 차이는 134°였다.
또한, 나노 기둥 형태의 위상 변환 패턴(15)들을 갖는 위상 변환 소자에서 위상 변환 패턴(15)의 직경이 120 nm, 180 nm, 240 nm, 300 nm로 변화할 때, 위상 변환 소자에 의한 위상 지연은 각각 167°, 147°, 101°, 93°로 변하였다. 따라서, 위상 변환 패턴(15)의 폭이 커질수록 위상 지연이 감소하였다. 예시된 나노 기둥 형태의 위상 변환 패턴(15)들을 갖는 위상 변환 소자에서 최대 위상 지연과 최소 위상 지연 사이의 차이는 74°였다.
이러한 위상 변환 소자를 이용하면 입사광을 집광하거나, 특정 방향으로 산란 또는 반사하거나, 입사광의 진행 방향을 바꾸거나, 입사광 중에서 특정 파장의 빛만을 투과 또는 반사시킬 수 있다. 특히, 가시광 또는 근적외선 파장 대역에서 높은 굴절률과 낮은 소멸 계수를 갖는 물질로 빛의 파장의 1/4 이하의 선폭을 구현하여, 가시광 또는 근적외선 파장 대역에서 회절 현상의 물리적 제약을 뛰어넘는 광학 소자의 제작이 가능하다. 광학 소자의 동작 특성은 위상 변환 패턴(15)들의 배열에 의한 위상 변환 분포에 따라 결정될 수 있다.
예를 들어, 도 18은 일 실시예에 따른 평판형 렌즈(30)의 나노 기둥 형태의 위상 변환 패턴(15)들의 배열을 개략적으로 보인다. 도 18을 참조하면, 기판(11) 위에 원기둥 모양을 갖는 다수의 위상 변환 패턴(15)이 동심원의 형태로 배열되어 있다. 위상 변환 패턴(15)의 직경은 위치에 따라 달라지며, 평판형 렌즈(30)의 중심으로부터 동일한 반경 방향의 위치에 배열된 위상 변환 패턴(15)들은 동일한 직경을 가질 수 있다.
도 19는 도 18에 도시된 평판형 렌즈(30) 상의 위치에 따른 위상 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 19에서 가로축은 평판형 렌즈(30)의 중심을 가로지른 단면에서의 위치를 나타내며, 세로축은 위상 지연을 나타낸다. 도 19에 도시된 위상 지연을 갖도록 위상 변환 패턴(15)들의 직경이 평판형 렌즈(30)의 중심으로부터 반경 방향을 따라 변화할 수 있다.
도 20은 도 18에 도시된 평판형 렌즈(30)의 동작을 예시적으로 보이는 단면도이다. 도 20에 도시된 바와 같이, 도 19에 도시된 것과 같은 위상 지연 분포를 갖는 평판형 렌즈(30)는 입사광을 집광시키는 렌즈의 역할을 할 수 있다. 이러한 평판형 렌즈(30)는 1um 이하의 매우 얇은 두께로 제작될 수 있어서, 소형 광학 장치 또는 소형 전자 장치에 채용될 수 있다.
또한, 도 21은 일 실시예에 따른 평판형 빔 편향기(40)의 나노 기둥 형태의 위상 변환 패턴(15)들의 배열을 개략적으로 보인다. 도 21을 참조하면, 기판(11) 위에 일직선 막대 모양을 갖는 다수의 위상 변환 패턴(15)이 1차원 배열되어 있다. 위상 변환 패턴(15)의 폭은 우측으로 갈수록 작아지며 위상 변환 패턴(15)들 사이의 간격은 우측으로 갈수록 증가한다.
도 22는 도 21에 도시된 평판형 빔 편향기(40)의 위치에 따른 위상 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 22를 참조하면, 평판형 빔 편향기(40)의 우측으로 갈수록 위상 지연의 증가하게 된다.
도 23은 도 21에 도시된 평판형 빔 편향기(40)의 동작을 예시적으로 보이는 단면도이다. 도 23에 도시된 바와 같이, 도 22에 도시된 것과 같은 위상 지연 분포를 갖는 평판형 빔 편향기(40)는 입사광의 진행 방향을 특정 방향으로 변화시킬 수 있다.
도 18 내지 도 23에 도시된 평판형 렌즈(30)와 평판형 빔 편향기(40) 외에도 다양한 응용이 가능하다. 예를 들어, 위상 변환 소자는 가시광 대역 또는 근적외선 대역에서 동작하는 평면형 컬러 필터, 평면형 분광기 등에도 응용될 수 있다. 또한, 위상 변환 소자는 이미지 센서, 디스플레이 장치, 공간 광변조기 등과 같은 반도체 회로 구조물 위에 온-칩(on-chip) 형태로 형성될 수도 있다.
상술한 다층 박막 구조물 및 이를 이용한 위상 변환 소자는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 권리범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 권리범위에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10, 10a.....다층 박막 구조물
11.....기판
12.....결정화 방지층
13.....유전체층
15.....위상 변환 패턴
20, 20a, 20b, 20c, 20d.....위상 변환 소자
30.....평판형 렌즈
40.....평판형 빔 편향기

Claims (24)

  1. 결정화 방지층; 및
    상기 결정화 방지층 상에 배치된 유전체층;을 포함하며,
    상기 결정화 방지층은 비정질 재료를 포함하고,
    상기 결정화 방지층의 두께는 상기 유전체층 의 두께보다 작고,
    상기 결정화 방지층과 상기 유전체층이 적어도 1회 이상 반복하여 적층되어 있는 다층 박막 구조물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    비정질 기판을 더 포함하며,
    상기 비정질 기판 위에 상기 유전체층이 배치되고, 상기 유전체층 위에 상기 결정화 방지층과 상기 유전체층이 번갈아 적층되어 있는 다층 박막 구조물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    결정질 기판을 더 포함하며,
    상기 결정질 기판 위에 상기 결정화 방지층과 상기 유전체층이 번갈아 적층되어 있는 다층 박막 구조물.
  4. 제 1 항에 있어서,
    가시광 대역에서 상기 유전체층의 굴절률은 2.4 이상이고 상기 유전체층의 소멸계수는 1×10-5 이하인 다층 박막 구조물.
  5. 제 4 항에 있어서,
    가시광 대역에서 상기 결정화 방지층의 소멸계수는 1×10-5 이하인 다층 박막 구조물.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체층은 비정질 재료 또는 결정립의 크기가 100 nm 이하인 결정 재료를 포함하는 다층 박막 구조물.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체층의 두께는 50 nm 내지 500 nm의 범위 내에 있고, 상기 결정화 방지층의 두께는 0 nm보다 크고 10 nm 이하인 다층 박막 구조물.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 결정화 방지층의 두께의 합은 모든 유전체층들과 모든 결정화 방지층들의 전체 두께의 5% 이하인 다층 박막 구조물.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 결정화 방지층은 비정질 SiO2, 비정질 Si3N4, 또는 비정질 Al2O3를 포함하는 다층 박막 구조물.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체층은 비정질 TiO2, 비정질 GaP, 비정질 GaN, 또는 비정질 AlAs를 포함하는 다층 박막 구조물.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 다층 박막 구조물의 최상부 표면의 표면 거칠기의 제곱 평균(RMS)이 2.5 nm 이하인 다층 박막 구조물.
  12. 가시광의 파장보다 작은 크기를 갖는 다수의 위상 변환 패턴을 포함하며,
    각각의 위상 변환 패턴은 적어도 1회 이상 반복하여 적층되어 있는 결정화 방지층과 유전체층;을 포함하고,
    상기 결정화 방지층은 비정질 재료를 포함하고,
    상기 결정화 방지층의 두께는 상기 유전체층 의 두께보다 작은, 위상 변환 소자.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 위상 변환 소자는 비정질 기판을 더 포함하며,
    각각의 위상 변환 패턴은 상기 비정질 기판 위에 배치된 유전체층을 포함하고, 상기 유전체층 위에 상기 결정화 방지층과 상기 유전체층이 번갈아 적층되어 있는 위상 변환 소자.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 위상 변환 소자는 결정질 기판을 더 포함하며,
    각각의 위상 변환 패턴은 상기 결정질 기판 위에 번갈아 적층되어 있는 상기 결정화 방지층과 상기 유전체을 포함하는 위상 변환 소자.
  15. 제 14 항에 있어서,
    가시광 대역에서 상기 유전체층의 굴절률은 2.4 이상이고 상기 유전체층의 소멸계수는 1×10-5 이하인 위상 변환 소자.
  16. 제 15 항에 있어서,
    가시광 대역에서 상기 결정화 방지층의 소멸계수는 1×10-5 이하인 위상 변환 소자.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 유전체층은 비정질 재료 또는 결정립의 크기가 100 nm 이하인 결정 재료를 포함하는 위상 변환 소자.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 유전체층의 두께는 50 nm 내지 500 nm의 범위 내에 있고, 상기 결정화 방지층의 두께는 0 nm보다 크고 10 nm 이하인 위상 변환 소자.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 결정화 방지층의 두께의 합은 모든 유전체층들과 모든 결정화 방지층들의 전체 두께의 5% 이하인 위상 변환 소자.
  20. 제 12 항에 있어서,
    상기 결정화 방지층은 비정질 SiO2, 비정질 Si3N4, 또는 비정질 Al2O3를 포함하고, 상기 유전체층은 비정질 TiO2, 비정질 GaP, 비정질 GaN, 또는 비정질 AlAs를 포함하는 위상 변환 소자.
  21. 제 12 항에 있어서,
    상기 위상 변환 패턴의 최상부 표면의 표면 거칠기의 제곱 평균(RMS)이 2.5 nm 이하인 위상 변환 소자.
  22. 제 12 항에 있어서,
    각각의 위상 변환 패턴은 제 1 방향으로 연장된 막대 또는 슬릿의 형태를 가지며, 다수의 위상 변환 패턴은 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 따라 1차원 배열되어 있는 위상 변환 소자.
  23. 제 12 항에 있어서,
    상기 다수의 위상 변환 패턴은 2차원 배열되어 있으며, 각각의 위상 변환 패턴은 정사각형, 직사각형, 원형, 또는 타원형의 형태를 갖는 위상 변환 소자.
  24. 제 12 항에 있어서,
    상기 위상 변환 소자는 가시광 대역 또는 근적외선 영역에서 평판형 렌즈, 평판형 컬러 필터, 평판형 빔 편향기, 또는 평판형 분광기로 작용하도록 구성된 위상 변환 소자.
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