KR20220024996A - 회절 광학 소자 및 회절 광학 소자의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
회절 광학 소자는 건식 에칭 공정을 위해 다른 에칭 속도를 갖는 적어도 2개의 층을 포함한다. 회절 광학 소자는 유리 기판(12) 및 유리 기판(12)에 배치된 미세구조 층(10)을 포함한다. 두께 방향으로의 유리 기판(12)의 건식 에칭 속도 대 미세구조 층(10)의 건식 에칭 속도의 비는 1: 2 이하, 바람직하게 1: 5 이하, 보다 바람직하게 1: 10 이하 또는 가장 바람직하게 1: 20 이하여서, 기판이 에칭 정지층으로서 기능한다. 수평 방향으로의 유리 기판(12)의 건식 에칭 속도 비는 미세구조 층(10)의 것과 실질적으로 동일하다. 유리(12)의 조성은 Al2O3, 알칼리 재료(M2O) 및 알칼리 토류 재료(MO)를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 중량 백분율 Al2O3+M2O+MO>=5%이다. 미세구조의 높이는 높은 정밀도로 제어될 수 있다.
Description
본 발명은 다른 에칭 속도를 갖는 적어도 2개의 층을 가지는 광학 분야에서 회절 광학 소자 및 회절 광학 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
회절 광학 소자(DOE)는, 회절 기능이 필요한, 다양한 종류의 광학 기기, 광학 부품 및 광학 장치에서 사용된다. 일반적으로, DOE는 레이저 빔을 변환하고, 상기 레이저 빔의 형상은 적용 요구에 따라 유연하게 제어되고 변경될 수 있다. 많은 적용에서, 이런 기능은 매우 이롭고 시스템 성능을 크게 개선한다. DOE는 높은 효율성, 높은 정밀도, 작은 치수, 낮은 중량과 같은 많은 측면에서 장점을 가지고, 가장 중요하게는 매우 유연하여 다양한 다른 적용 요건을 충족한다.
DOE는 그 광학 기능을 위해 복잡한 미세구조를 갖는 표면을 이용한다. 미세구조가 있는 표면 릴리프 프로파일은 2개 이상의 표면 레벨을 갖는다. 미세구조는 나노임프린트, 습식 에칭, 또는 건식 에칭에 의해 생성될 수 있다. 보통, 건식 에칭 및 직접 쓰기는 고정밀 요건으로 인해 DOE를 제조하는 데 사용된다. 특히, 미세구조는 반응성 이온 에칭(RIE) 또는 유도 결합 플라즈마 에칭(ICP)과 같은 플라즈마 에칭과 조합된 직접 레이저 쓰기 및 리소그래피에 의해 특히 생성된다.
DOE의 특성부 크기는 에칭 폭 및 에칭 깊이를 포함한다. DOE의 전형적인 특성부 크기는 측방향 치수가 서브마이크로미터 내지 밀리미터의 범위에 있고 수직방향 치수가 수백 나노미터이다. 3D 이미징 및 센싱을 위해, 빔 형성 및 포커싱과 같은 여러 광학 기능을 조합할 필요가 있다. 예로서, 다중 줄무늬 구조의 조명을 위한 단일 층의 이원 표면 릴리프를 구비한 DOE는 회절 렌즈, 가우스-투-톱해트 빔 형성자(Gaussian-to-tophat beam shaper) 및 담만(Dammann) 빔 스플리터의 기능을 조합한다.
규소 또는 용융 실리카는 건식 에칭과 호환되는 에칭 거동으로 인해 현 시장에서 사용된 재료이다. 그러나, 규소는 가시광선 내지 근적외선에서 제한된 투과율을 가지지만, 높은 투과율이 필요한 투과형 DOE에서 사용될 수 없다. 에칭 속도가 빠르기 때문에, 용융 실리카는 건식 에칭을 위한 양호한 재료이다. 그러나, DOE와 같은 고정밀도 에칭 요건을 갖는 일부 적용을 위해, 에칭 속도가 너무 빨라서 에칭 깊이를 제어하지 못한다.
이 경우에, DOE에 대해, 미세구조의 에칭 깊이를 정확히 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명의 목적은, 건식 에칭을 통하여 정확한 깊이를 갖는 미세구조를 가지는, 광학 3차원 측정 기기용 DOE를 제공하는 것이다. 건식 에칭 방법은 이온 빔 에칭, 이온 에칭, 반응성 이온 빔 에칭, 반응성 이온 에칭, 플라즈마 에칭 및 배럴 에칭을 포함한다.
상기 목적은 독립항에 정의된 바와 같이 DOE 및 방법에 의해 해결된다. 특정 실시형태는 종속항에 정의된다.
본 발명의 측면에서, 건식 에칭 공정을 위한 다른 에칭 속도를 갖는 적어도 2개의 층을 포함하는 회절 광학 소자가 제공된다. 회절 광학 소자는 유리 기판 및 유리 기판에 배치된 미세구조 층을 포함한다. 두께 방향으로의 유리 기판의 건식 에칭 속도 대 미세구조 층의 건식 에칭 속도 비는 1: 2 이하, 바람직하게 1: 5 이하, 보다 바람직하게 1: 10 이하, 또는 가장 바람직하게 1: 20 이하이고, 이에 의해 기판은 에칭 정지층으로서 기능을 한다. 하지만, 수평 방향으로의 유리 기판의 건식 에칭 속도 비는 미세구조 층의 것과 실질적으로 동일하다. 유리 기판은 SiO2, Al2O3, 알칼리 금속 산화물(M2O) 및 알칼리 토금속 산화물(MO)을 포함하고 내용물의 합 ∑Al2O3 + M2O + MO ＞= 5 wt%이고, 바람직하게 ∑Al2O3 + M2O + MO ＞= 7wt%, 보다 바람직하게 ∑Al2O3 + M2O + MO ＞= 8 wt%, 특히 바람직하게 ∑Al2O3 + M2O + MO ＞= 10 wt%, 가장 바람직하게 ∑Al2O3 + M2O + MO ＞= 15 wt%이다. M2O는 Li2O, Na2O, K2O, 및 다른 알칼리 금속 산화물을 포함하고, MO는 CaO, MgO, BaO, SrO, 및 다른 알칼리 토금속 산화물을 포함한다. 부가적으로, 유리 기판은 파장 587.6nm에서 1.40 ~ 2.2, 보다 바람직하게 1.41 ~ 2.1, 보다 바람직하게 1.42 ~ 2.0, 보다 바람직하게 1.45 ~ 1.9, 보다 바람직하게 1.45 ~ 1.8 범위의 굴절률을 나타낸다.
이 측면에서, 유리 기판은 미세구조 층의 것보다 훨씬 낮은 에칭 속도를 나타내므로, 유리 기판은 에칭 정지층으로서 기능을 할 수 있다. 이 경우에, 미세구조 층의 에칭된 깊이, 예컨대, 하나의 미세구조 층에서 격자 구조의 높이가 높은 정밀도로 제어된다. 그 때, 정지층으로서 유리 기판은 또한 수평 방향으로 미세구조 층의 에칭 속도를 감소시키고 테이퍼 성능을 개선한다. 부가적으로, 유리는 투명한 등방성 재료이다. 그것은 다른 분리된 층이 없는 고형의 균질한 벌크이고, 따라서 광학적 성능은 안정적이다. 유리는 또한 다른 용도 및 공정 가용성을 위한 화학적 내구성 재료로 되어 있다. 무엇보다도, 유리는 낮은 에칭 속도를 가지고, 이는 과다 에칭을 피하기 위해서 기판 상의 에칭을 방지할 것이다. 기판으로서 용융 실리카를 사용하는 일부 경우에, 기판 상의 에칭을 피하기 위해서 더 두꺼운 코팅 층이 필요하다. 그렇지 않으면, 기판 표면이 파괴될 것이고 광학 성능이 약화된다.
본 발명의 일 실시형태에서, 미세구조 층은 에칭된 폭이 ＜2000㎛, 바람직하게 ＜1000㎛, 보다 바람직하게 ＜800㎛, 보다 바람직하게 ＜500㎛, 보다 더 바람직하게 ＜300㎛, 가장 바람직하게 ＜200㎛인 미세 특성부 치수를 갖는다.
본 발명의 추가 실시형태에서, 미세구조 층의 각 단은 에칭된 깊이가 ＜1000㎛, 바람직하게 ＜800㎛, 보다 바람직하게 ＜600㎛, 보다 더 바람직하게 ＜500㎛, 가장 바람직하게 ＜400㎛인 미세 특성부 치수를 갖는다.
본 발명의 추가 실시형태에서, 미세구조 층에서 에칭된 깊이와 평균 에칭 깊이 간의 최대 편차는 평균 에칭 깊이의 30% 미만, 보다 바람직하게 20% 미만, 가장 바람직하게 10% 미만이다.
본 발명의 추가 실시형태에서, 미세구조 층은 산화규소(SixOy) 또는 질화규소(SixNy) 또는 TiO2 또는 Ta2O5 또는 Nb2O5 또는 CeO2 또는 MgF2 또는 이들의 조합물로 만들어진다. x;y는 1: 2 또는 3: 4를 포함하지만, 여기에 기재된 비를 제한하지 않는다. 산화규소는 하나의 단일 상이거나 여러 상의 혼합물일 수 있다. 산화규소는 이런 DOE 용도를 위한 최상의 재료이다. 그것은 낮은 반사율을 가지고, 이는 광 투과 효율성을 개선할 것이다. 부가적으로, 미세구조 층은 비전도성이고, 이는 1010 Ω·m보다 큰 전기 저항률을 갖는다.
본 발명의 추가 실시형태에서, 유리 기판은 가시광선과 적외선 범위에서 미세구조 층의 굴절률과 실질적으로 동일한 굴절률을 갖는다.
본 발명의 추가 실시형태에서, 유리 기판은 파장 587.6㎚에서 1.40 ~ 2.2의 범위, 바람직하게 1.41 ~ 2.1의 범위, 바람직하게 1.42 ~ 2.0의 범위, 바람직하게 1.45 ~ 1.9의 범위, 바람직하게 1.45 ~ 1.8의 범위의 굴절률을 나타낸다.
본 발명의 추가 실시형태에서, 미세구조 층은 파장 587.6㎚에서 1.4 ~ 2.2의 범위의 굴절률을 나타낸다. 미세구조 층과 유리 기판 간의 굴절률 차이는 -0.65 ~ 0.65의 범위에 있다.
본 발명의 추가 실시형태에서, 유리 기판은 가시광 내지 적외선에 대해 96% 초과, 바람직하게 98% 초과, 가장 바람직하게 99% 초과의 내부 투과율을 나타낸다. 게다가, 파장이 200㎚보다 낮을 때 투과율은 30% 미만이다.
본 발명의 추가 실시형태에서, 회절 광학 소자는 30% 초과, 바람직하게 40% 초과, 보다 바람직하게 50% 초과, 또는 보다 더 바람직하게 60% 초과, 가장 바람직하게 70% 초과의 효율성을 나타낸다.
본 발명의 추가 실시형태에서, 회절 광학 소자는 미세구조 층의 상부면에 또는 유리 기판의 바닥면에 또는 미세구조 층과 유리 기판 사이에 적용된 전기 전도 또는 보호를 위한 추가 층을 포함한다. 추가 층은 ITO 또는 금속일 수 있는 전기 전도성 층이다. 추가 층은 건식 에칭 공정의 경우에 에칭되기에 용이한 (나노미터 레벨 이하의) 매우 얇은 층이다. 기판 층으로서 사용된 유리는 과다 에칭을 막을 것이다.
본 발명의 추가 실시형태에서, 유리 기판은 플라즈마 파워 1600 W; 기판 파워 200 W; 25 SCCM의 가스 유량; 및 압력 0.2 Pa일 때 C4F8 또는 SF6의 에칭 가스에 대해 0.01 ~ 0.8 ㎛/분의 범위, 바람직하게 0.01 ~ 0.3 ㎛/분의 범위의 두께 방향으로 에칭 속도를 나타낸다.
본 발명의 추가 실시형태에서, 유리 기판은 30 ㎛ 미만, 바람직하게 20 ㎛ 미만, 보다 바람직하게 10 ㎛, 5 ㎛, 3 ㎛, 또는 2 ㎛ 미만, 가장 바람직하게 1 ㎛ 미만의 TTV를 나타낸다.
본 발명의 추가 실시형태에서, 유리 기판은 400 ㎛ 미만, 바람직하게 300 ㎛, 200 ㎛, 100 ㎛, 50 ㎛, 또는 20 ㎛ 미만, 가장 바람직하게 10 ㎛ 미만의 워프(warp)를 나타낸다.
본 발명의 추가 실시형태에서, 회절 광학 소자는 1개보다 많은, 상하로 적층된 하나의 유리 기판 및 하나의 미세구조 층의 쌍을 포함한다.
본 발명의 추가 실시형태에서, 상기 유리 기판과 상기 미세구조 층은 상하로 교번하여 배치된다.
이 경우에, 미세구조 층은 유리 기판의 양측에 배치될 수 있다.
대안적으로, 유리 기판 및 미세구조 층은, 적어도 2개의 미세구조 층이 서로 접촉하도록 배치된다.
이 경우에, 미세구조 층은 이온 빔 에칭, 또는 이온 에칭, 또는 반응성 이온 빔 에칭, 또는 반응성 이온 에칭, 또는 플라즈마 에칭 또는 배럴 에칭에 의해 제조될 수 있다. 본 발명의 추가 실시형태에서, 회절 광학 소자에 의해 생성된 광 패턴은 정사각형, 삼각형, 점, 선일 수 있지만 이들에 제한되지 않는다. 본 발명의 추가 실시형태에서, 유리 기판은 반사방지 코팅을 가질 수 있다.
본 발명의 추가 실시형태에서, 미세구조 층의 총 두께는 유리 기판 층과 미세구조 층의 다른 에칭 비에 의해 정확하게 제어될 수 있다. 설계시 최대 에칭 깊이가 고정될 때, 미세구조 층의 총 두께는 최대 에칭 깊이에 따라 결정될 수 있다. 그 경우에, 미세구조 층의 총 두께(Tmax)는 미세구조의 적용을 위해 설계된 에칭 깊이(δ)의 공차와 최대 에칭 깊이(Hmax)의 합과 같고, 다음과 같이 나타낼 수 있다:
Tmax = Hmax + δ.
환언하면, 적용된 미세구조 층의 두께(Tmax)는 에칭 깊이(Hmax)와 동일하거나 커야 한다. 설계된 에칭 깊이의 공차는 Hmax의 0.001%, Hmax의 0.01%, Hmax의 0.1%, Hmax의 1%, Hmax의 10%, Hmax의 15%, Hmax의 20%, 또는 Hmax의 30%이다. 일 단의 미세구조 층의 경우에, 미세구조 층의 총 두께는 일 단의 에칭 깊이와 동일하다. 이상적으로, 두께는 에칭 깊이와 동일하다. 이것은 코팅 층의 두께 설계 및 비용 절감에 사용될 수 있다. 또한, 이 기술적 특성의 확장으로서, 유리 기판과 미세구조 층의 다른 에칭 비 때문에 미세구조 층의 총 두께를 제어함으로써 최대 에칭 깊이가 또한 제어될 수 있다. 코팅 공정을 정확하게 제어함으로써, 높은 정확성을 갖는 미세구조 층의 총 두께가 달성될 수 있다. 따라서, 전체 미세구조 층을 통하여 에칭한 후 유리 기판에 도달할 때 에칭이 정지하기 때문에 에칭 깊이가 결정될 수 있다.
정확한 에칭 깊이를 달성하기 위해서 DOE 제조에서 건식 에칭율이 매우 중요하다. 유리 재료는 아래 식에 따라 CF4와 반응할 것이다:
SiO2 + CF4 →SiF4 + CO2
2B2O3 +3CF4 →4BF3 + 3CO2.
SiF4 및 BF3의 부산물은 낮은 비등점을 가지고 정상 조건에서 가스 상태로 되어 있다. 하지만, 산화알루미늄, 알칼리 산화물 및 알칼리 토류 산화물(AlF3, KF, NaF, BaF2, MaF2, CaF2, SrF2)로 인한 부산물은 높은 비등점을 가지고 정상 조건에서 고체 상태이다. 이 고체 부산물은 에칭된 영역에 유지되어서, 에칭율을 감소시키고 에칭된 표면의 거칠기 및 모폴로지에 영향을 미친다.
| 생성물 | SiF4 | BF3 | CO2 | AlF3 | KF | NaF | BaF2 | MaF2 | CaF2 | SrF2 |
| 비등점(℃) | -86 | -100 | -78 | 1291 | 1505 | 1700 | 2260 | 2260 | 2500 | 2460 |
건식 에칭 중 종래의 반응 부산물의 비등점
바람직하게, Al2O3, 알칼리 금속 산화물(M2O) 및 알칼리 토금속 산화물(MO)의 총 함량은 바람직하게 10 wt% 초과, 보다 바람직하게 15 wt% 초과한다.Al2O3+M2O+MO의 함량이 더 높을수록, 에칭 속도는 더 낮고 에칭 표면 거칠기도 더 낮다. DOE 적용에서, 표면 거칠기는 광 산란을 유도하고 회절 효율성을 감소시킬 수 있고, 이는 DOE 성능에 크게 영향을 미친다.
본원에서, 유리 기판은 10 ㎚ 미만, 바람직하게 2 ㎚ 미만, 가장 바람직하게 1 ㎚ 미만의 표면 거칠기를 나타낸다.
용융 실리카와 비교해 유리 재료의 더 낮은 에칭 속도로 인해, 그것은 건식 에칭 공정에서 양호한 정지층으로서 기능을 한다. 미세구조 층에서 에칭 깊이와 평균 에칭 깊이 간의 최대 편차는 평균 에칭 깊이의 30% 미만이다. 하나의 회절 광학 소자 모델에서, 유리 기판을 용융 실리카에서 D263으로 단지 변화시키고, 회절 효율성은 대략 10%에서 40% 초과로 증가되었다.
대응하는 조성을 갖는 다음 유리가 바람직하고 후처리가 적용된다면 우수한 강도 증가뿐만 아니라 본 발명에 따른 건식 에칭 방법으로 처리될 때 낮은 에칭 속도를 나타내었다. 하지만, 본 발명은 또한 다른 조성에 적당하고 다른 유리 및 유리 세라믹에 유리한 것으로 입증되었다.
본 발명에 따른 방법에서 사용되는 바람직한 유리는 다음 조성(단위: 중량%)을 갖는 리튬 알루미노실리케이트 유리이다:
본 발명에 따른 방법에서 사용되는 다른 바람직한 유리는 다음 조성(단위: 중량%)을 갖는 소다 석회 유리이다:
본 발명에 따른 방법에서 사용되는 다른 바람직한 유리는 다음 조성(단위: 중량%)을 갖는 붕규산염 유리이다:
본 발명에 따른 방법에서 사용되는 다른 바람직한 유리는 다음 조성(단위: 중량%)을 갖는 알칼리 금속 알루미노실리케이트 유리이다:
본 발명에 따른 방법에서 사용되는 다른 바람직한 유리는 다음 조성(단위: 중량%)을 갖는 저 알칼리 금속 알루미노실리케이트 유리이다:
본 발명에서 사용된 유리, 특히 전술한 유리는 또한 변경될 수 있다. 예를 들어, 전이 금속 이온, 희토류 이온, 예컨대 Nd2O3, Fe2O3, CoO, NiO, V2O5, MnO2, TiO2, CuO, CeO2, Cr2O3, 및 0 ~ 2 중량%의 As2O3, Sb2O3, SnO2, SO3, Cl, F, 및/또는 CeO2를 유리 조성에 첨가함으로써 색상은 변경될 수 있다. 이러한 변경된 색상은 후방 커버를 위한 색상 요건과 같은 가전제품의 디자인을 풍부하게 하거나 예컨대 컬러 필터로서 초박 유리 용품을 위한 부가적 기능을 제공할 수 있다. 게다가, 전이 금속 및 희토류 이온과 같은 발광 이온은 광학 증폭기, LED, 칩 레이저 등과 같은 광학 기능을 부여하기 위해서 첨가될 수 있다. 특히, 0 ~ 5 중량%의 희토류 산화물은 자기, 광자 또는 광학 기능을 도입하기 위해 첨가될 수 있다.
Ag+-함유 염욕 또는 Cu2+-함유 염욕에서 유리 용품의 이온 교환을 적용함으로써 유리 용품에 또한 항균 기능을 제공할 수 있다. 이온 교환 후, Ag+ 또는 Cu2+의 농도는 1 ppm 보다 높고, 바람직하게 100 ppm 보다 높고, 보다 바람직하게 1000 ppm보다 높다. 항균 기능을 갖는 초박 유리는 병원에서 사용되는 컴퓨터 또는 스크린과 같은 의료 장비 및 항균 기능을 갖는 가전 제품에 적용될 수 있다.
이러한 유리의 추가 바람직한 변형예는 PCT/CN2013/072695에서 찾아볼 수 있고 참고로 여기에 원용된다.
본 발명은 이제 예시적인 실시형태에 의해 그리고 첨부 도면을 참조하여 더 상세하게 설명될 것이다. 도면에서, 동일한 도면 번호는 동일하거나 대응하는 요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 유리 기판 및 한 층의 미세구조를 갖는 DOE를 도시한다.
도 2a 내지 도 2d는 도 1에 나타낸 DOE를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법을 도시한다.
도 3a 내지 도 3c는 DOE의 층 배열의 추가 실시형태를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 하나의 미세구조 층의 3개의 단을 갖는 구조를 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 유리 기판 및 한 층의 미세구조를 갖는 DOE를 도시한다.
도 2a 내지 도 2d는 도 1에 나타낸 DOE를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법을 도시한다.
도 3a 내지 도 3c는 DOE의 층 배열의 추가 실시형태를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 하나의 미세구조 층의 3개의 단을 갖는 구조를 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 DOE를 도시한다. DOE(1), 예를 들어, 확산기는 미세구조 층(10) 및 유리 기판(12)을 포함한다. 일 실시형태에서, 유리는 Schott AG의 브랜드 D263, AF32, B270, 또는 BF33로 시장에서 입수가능하다. 일 실시형태에서, DOE 구조는 DOE 구조에 이용가능한 SiO2 층 또는 기타 코팅 재료, 예로 질화규소이다. 도 1에서, DOE 구조는 회절 격자의 미세구조이다. 회절 격자는 SiO2 층 또는 기타 코팅 재료에서 건식 에칭 공정에 의해 획득될 수 있다. 유리는 SiO2 층 또는 기타 코팅 재료에 비해 훨씬 더 낮은 건식 에칭 속도의 특징을 가져서, SiO2 층 또는 기타 코팅 재료에서 에칭 깊이가 잘 제어될 수 있고 에칭 공차가 작을 수 있도록 유리는 양호한 정지층이다. 일 실시예는, 에칭 깊이가 보통 코팅 재료의 두께에 의해 제어된다. 또한, 본 기술분야에 사용된 용융 실리카와 비교해, 유리는 비용면에서 저렴하지만, 용융 실리카와 유사한 온도 천이를 갖는다.
부가적으로, SiO2 층의 굴절률 nd는 1.5 ~ 1.6이고 질화규소의 굴절률 nd는 2.1 미만이다. 이것과 비교해, 유리는 1.40 ~ 2.2의 범위에 있고, 바람직하게 1.45 ~ 1.8의 범위에 있는 유사한 값을 가지고, 예를 들어, AF32eco 1.51, D263Teco 1.52, BF33 1.47과 같은 Schott AG로부터의 유리가 시장에서 입수가능하다. 유리 기판(12)은 SiO2로 만들어진 미세구조 층(10)과 유사한 굴절률을 가지므로, 매칭된 굴절률은 유리 기판(12)과 미세구조 층(10) 사이의 경계에서 광 손실을 감소시킬 것이다.
본 발명에서, 유리 기판(12)은 가시광 내지 적외선에 대해, 예컨대 300 ㎚ ~ 1200 ㎚의 범위 내, 바람직하게 810 ㎚, 830 ㎚, 850 ㎚ 또는 940 ㎚의 파장에서 96% 초과, 바람직하게 98% 초과, 가장 바람직하게 99% 초과의 내부 투과율을 갖는다. 투과율은 100%에서 반사율과 흡수율을 뺀 값이다. 유리 기판(12)이 갖는 내부 투과율이 높을수록, DOE가 달성할 수 있는 반사율이 더 낮고 효율성이 더 높다. 회절 격자 특성부의 상이한 설계에 따르면, DOE(1)는 30% 초과, 바람직하게 50% 초과, 또는 보다 바람직하게 70% 초과의 효율성을 달성할 수 있다.
유리의 크기는 필요한 처리에 따라 유연성이 있다. 웨이퍼 레벨 패킹 공정을 위해 웨이퍼 크기를 택한다. 웨이퍼 에지는 후처리시 로케이팅을 위한 불투명한 영역을 제공하도록 에칭, 코팅, 인쇄, 샌드블라스팅에 의해 프로스팅(frosting) 표면으로서 제조될 수 있다.
부가적 또는 대안적 측면에서, DOE는 2개보다 많은 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 유리 기판(12)과 미세구조 층(10) 사이에, 유리 기판(12)의 바닥면에 또는 미세구조 층(10)의 상부면에 추가 층이 적용될 수 있다. 추가 층은 다른 기능, 예컨대, 전기 전도 또는 보호를 이행할 수 있다. 추가 층의 상이한 기능을 기반으로, ITO(인듐 주석 산화물), Ag, Au, Cr, Pt, Cu 등을 포함할 수 있다.
추가 측면에서, 다른 응용예에 따르면, DOE는 하나 초과의 미세구조 층, 예컨대, 2개, 3개 또는 4개의 미세구조 층을 포함할 수 있다.
이제, 도 2a 내지 도 2d를 참조하면, 본 발명에 따른 DOE(1) 제조 단계를 보여준다. 먼저, 유리 기판(12)이 제공되고 SiO2 층(10')이 예를 들어 CVD 또는 PVD 방법에 의해 유리 기판(12)에 코팅된다. 추후에, 도 2a에 도시된 대로, 예컨대 스핀 코팅에 의해 SiO2 층(10')에 마스크 층(14)이 코팅된다. 추후에, 도 2b에 도시된 대로, 마스크 층(14)은 에칭될 SiO2 층(10')에 대응하는 영역에서 제거되고, 포토리소그래피 공정에 의해 제거된다.
이제, 건식 에칭 공정은 마스크 층(14)의 패턴에서 비아(via)를 통해 SiO2 층(10')에서 수행된다. 건식 에칭 공정 중, 외부 안테나에 의해 발생된 무선 주파수(RF) 전자기장에 의해 고밀도 플라즈마가 발생된다. SiO2 층(10')은 화학적 반응 가스 플라즈마에 의해 에칭된다. 일반적으로, 화학적 반응 가스는 퍼플루오로프로판(C3F8), 퍼플루오로이소부틸렌(C4F8), 사불화탄소(CF4) 또는 육불화황(SF6)을 포함한다. 상기 반응 가스 이외에, 산소(O2), 아르곤(Ar), 질소(N), 헬륨(He) 또는 염소(Cl2)가 함께 사용될 수 있다. 본 기술분야에 공지된 대로, 건식 에칭 방법은 이온 빔 에칭, 이온 에칭, 반응성 이온 빔 에칭, 반응성 이온 에칭, 플라즈마 에칭 및 배럴 에칭을 포함한다.
일 실시형태에 따르면, DOE 구조는 RIE에 의해 생성된다. 바람직한 실시형태에서, RIE 공정은 표 1에 나열된 대로 다음 파라미터로 수행된다. 바람직한 실시형태에서, 에칭 공정은 파라미터, 플라즈마 파워 1600w; 기판 파워 200w; 25 SCCM의 유량을 갖는 가스 C4F8; 및 압력 0.2 Pa로 수행된다. 이 경우에, 에칭 시간은 15분이다.
| 유리 | 에칭 속도 (μm/분) |
RIE 관련 파라미터 | ||||
| 플라즈마 파워 (W) | 기판 파워 (W) | 반응성 가스 | 가스 유량 (SCCM) |
압력 (Pa) | ||
| D263 | 0.01-0.3 | 200-2500 | 50-500 | C4F8 또는 SF6 또는 C4F8/Ar 또는 SF6/Ar | 5-50 | 0.1-1 |
| AF32 | 0.01-0.3 | |||||
| B270 | 0.01-0.3 | |||||
| BF33 | 0.02-0.8 | |||||
| SiO2(용융 실리카) | 0.3-1.3 | |||||
| SiO2 코팅층 | 0.2-1.0 | |||||
다른 재료의 에칭 속도 범위
여기에서, DOE 구조를 형성하기 위한 공정은 SiO2 층과 비교해 다른 유리 재료의 에칭 속도를 설명하기 위한 세부 시험예로 간략히 소개된다. 게다가, 미세구조는 본 발명에서 언급한 구조로 제한되지 않는다.
실시형태 1:
플라즈마 파워 1600w; 기판 파워 200w; 25 SCCM의 유동을 갖는 가스 C4F8; 및 압력 0.2 Pa의 관련된 파라미터를 가지고 RIE를 통하여 시험이 수행되었다.
| 기판 | 용융 실리카 | D263 | AF32 | B270 | BF33 | SiO2 코팅 |
| 에칭 속도(nm/분) | 345 | 56 | 15 | 12 | 146 | 279 |
다른 재료의 에칭 속도 값
실시형태 2:
이 실시형태에서, 유리 기판은 AF32 유리로 구성된다. 먼저, 유리 기판은 50＊50mm의 크기로 절단된다. 추후에, SiO2 층은 유리 기판의 표면에서 스퍼터링한다. SiO2 층의 두께는 2.021 ㎛이다. 그 후, 마스크 층은 SiO2 층에서 스핀 코팅되고 마스크 층을 통한 비아는 포토리소그래피 방법에 의해 생성된다. 비아의 목표 폭은 50 ㎚이다. 건식 에칭 공정은 관련된 파라미터: 1600 w의 플라즈마 파워, 200 w의 기판 파워, 25 SCCM의 유량을 갖는 C4F8 가스 및 0.2 Pa의 압력으로 RIE에 의해 수행된다.
| 에칭 시간 (분) | 2 | 5 | 8 | 10 |
| 측정된 에칭 깊이 (nm) (SiO2 층 및 AF32 기판 포함) |
618 | 1382 | 2023 | 2056 |
에칭 깊이
표 4로부터, 에칭 시간 2분에서 8분까지, SiO2 층의 높은 에칭율로 인해 에칭 깊이가 빠르게 증가하는 것을 알 수 있다. 에칭 시간 8분에서 10분까지, AF32 유리의 낮은 에칭 속도로 인해 에칭 깊이는 크게 변하지 않는다. 상기로부터, 유리 AF32가 에칭 정밀도를 제어하는 양호한 정지부가 될 수 있는 것으로 결정될 수 있다.건식 에칭 공정 후, 미세구조 층(10)이 획득된다 (도 2c 참조). 추후에, 마스크 층(14)이 제거되고 하나의 DOE 구조 층을 갖는 DOE(1)가 도 2d에 도시된 대로 달성된다. 실시형태에서, DOE 구조의 깊이(h)는 500 ㎚ ~ 10 ㎛이고 구조의 폭인 폭(w)은 10 ㎚ ~ 500 ㎚이다.
표 1로부터, 유리, 예컨대, Schott AG로부터의 유리 D263, AF32, B270, BF33의 기판은 SiO2 층(10') 또는 용융 실리카와 비교해 훨씬 더 낮은 에칭 속도를 나타내는 것을 또한 알 수 있다. 바람직하게, 유리 기판(12)의 두께 방향으로 건식 에칭 속도 대 미세구조 층(10)의 건식 에칭 속도 비는 1: 2 이하, 바람직하게 1: 5 이하, 보다 바람직하게 1: 10 이하, 또는 가장 바람직하게 1: 20 이하이다. SiO2 층(10')과 비교해 유리 기판(12)의 더 낮은 에칭 속도로 인해, 유리 기판(12)은 에칭 정지층으로서 작용할 수 있어서, SiO2 층(10')의 두께에 가장 가까운 DOE 구조 깊이의 에칭 공차는 제어되기에 훨씬 더 용이하다. 부가적으로, 유리 기판의 수평 방향으로 건식 에칭 속도 비는 미세구조 층(10)의 것에 가깝다.
실시형태에서, 격자 구조는 1개의 단, 2개의 단, 3개의 단 내지 7개의 단을 포함할 수 있다. 도 4에 도시된 대로, 3개의 단(101, 102, 103)을 갖는 격자 구조를 보여준다. 이 경우에, 적어도 바닥 단(103)은 건식 에칭 공정으로 높은 정밀도를 가질 수 있고, 이는 또한 DOE의 성능 뿐만 아니라 효율성을 개선한다.
본 기술분야의 당업자에게 자명한 바와 같이, DOE 구조는 건식 에칭 공정으로 생성될 수 있다. 하지만, DOE 구조를 생성하기 위한 공정은 건식 에칭 공정에 제한되어서는 안 된다. DOE 구조를 생성할 수 있는 임의의 다른 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, DOE 구조는 또한 직접 쓰기, 예로 레이저 직접 쓰기 및 전자 빔 노출에 의해 달성될 수 있다.
유리 기판(12)에 DOE 구조(10)를 생성한 후, DOE(1)의 개별 피스를 생성하도록 후 공정, 예컨대, 다이싱이 수행될 수 있다. 이 목적을 위해, 다이싱은 소잉(sawing), 레이저 다이싱 및 다른 다이싱 공정을 포함할 수 있다.
다른 측면에서, DOE는 쌍을 이룬 유리 기판(12) 및 미세구조 층(10)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같이, DOE는 2쌍의 유리 기판(12) 및 미세구조 층(10)을 포함한다. 도 3a에 도시된 대로, 미세구조 층(10)은 서로 접촉하도록 배치된다. 대안적으로, 도 3b에 도시된 대로, 미세구조 층(10)은 하나의 유리(12)의 양측에 배치된다. 부가적으로, 쌍을 이룬 미세구조 층(10)과 유리 기판(12)은 교번 방식으로 배치된다.
본 발명에서, DOE는 간단하고 용이한 방식으로 적어도 격자 구조의 높이 면에서 높은 정밀도를 가지고 생성되며, 이는 제조 비용을 감소시킬 수 있고 또한 효율성을 높일 수 있다.
Claims (26)
- 회절 광학 소자로서, 적어도 2개의 층, 즉 제1 건식 에칭율을 지닌 제1 재료로 만들어진 하나의 기판 및 제2 건식 에칭율을 지닌 제2 재료로 만들어진 하나의 층을 포함하고,
상기 회절 광학 소자는 유리 기판(12) 및 상기 유리 기판(12)에 배치된 미세구조 층(10)을 포함하고, 두께 방향으로의 상기 유리 기판(12)의 건식 에칭 속도 대 미세구조 층(10)의 건식 에칭 속도 비는 1:2 이하, 바람직하게 1:5 이하, 보다 바람직하게 1:10 이하 또는 가장 바람직하게 1:20 이하이고, 이에 의해 상기 기판은 에칭 정지층으로서 기능하고,
수평 방향으로의 상기 유리 기판(12)의 건식 에칭 속도의 비는 상기 미세구조 층(10)의 것과 실질적으로 동일하고,
상기 유리 기판(12)은 Al2O3, 알칼리 금속 산화물(M2O) 및 알칼리 토금속 산화물(MO)을 포함하고 내용물의 합은 ∑Al2O3+M2O+MO ＞ 5 wt%이고,
상기 유리 기판(12)은 1.40 ~ 2.2 범위의 굴절률을 나타내는 것을 특징으로 하는 회절 광학 소자. - 제1항에 있어서,
상기 내용물의 합은 ∑Al2O3+M2O+MO ＞=5%, 바람직하게 ＞= 10%인 것을 특징으로 하는 회절 광학 소자. - 제1항에 있어서,
상기 미세구조 층은 ＜2000㎛, 바람직하게 ＜1000㎛, 보다 바람직하게 ＜500㎛, 보다 더 바람직하게 ＜300㎛, 가장 바람직하게 ＜200㎛의 에칭된 폭을 갖는 미세 특성부 치수를 가지는 것을 특징으로 하는 회절 광학 소자. - 제1항에 있어서,
미세구조 층의 각 단은 ＜1000㎛, 바람직하게 ＜800㎛, 보다 바람직하게 ＜500㎛, 가장 바람직하게 ＜400㎛의 에칭된 깊이를 갖는 미세 특성부 치수를 가지는 것을 특징으로 하는 회절 광학 소자. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
미세구조 층(10)의 에칭된 깊이와 평균 에칭 깊이 간의 최대 편차는 평균 에칭 깊이의 30% 미만인 것을 특징으로 하는 회절 광학 소자. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
미세구조 층의 총 두께(Tmax)는, Tmax = Hmax + σ로서 나타낼 수 있는, 미세구조 적용을 위해 구성된 에칭 깊이의 공차(σ)와 최대 에칭 깊이(Hmax)의 합과 동일한 것을 특징으로 하는 회절 광학 소자. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유리 기판(12)은 비에칭 구역에서 10 ㎚ 미만, 바람직하게 2 ㎚ 미만, 가장 바람직하게 1 ㎚ 미만의 표면 거칠기를 나타내는 것을 특징으로 하는 회절 광학 소자. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 미세구조 층(10)은 산화규소 또는 질화규소 또는 TiO2 또는 이들의 조합으로 제조되는 것을 특징으로 하는 회절 광학 소자. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 미세구조 층(10)은 비전도성이며 1010 Ω·m보다 큰 전기 저항률을 나타내는 것을 특징으로 하는 회절 광학 소자. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유리 기판(12)은 상기 미세구조 층(10)의 굴절률과 실질적으로 동일한 굴절률을 가지는 것을 특징으로 하는 회절 광학 소자. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 미세구조 층(10)은 1.4 ~ 2.2의 범위에 있는 굴절률을 나타내는 것을 특징으로 하는 회절 광학 소자. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유리 기판(12)은 400㎚ ~ 1500㎚의 파장에서 96% 초과, 바람직하게 98% 초과, 가장 바람직하게 99% 초과의 내부 투과율을 나타내는 것을 특징으로 하는 회절 광학 소자. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
파장이 200㎚보다 낮을 때 상기 유리 기판(12)은 30% 미만의 투과율을 나타내는 것을 특징으로 하는 회절 광학 소자. - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 회절 광학 소자는 30% 초과, 바람직하게 50% 초과, 또는 보다 바람직하게 70% 초과의 효율성을 나타내는 것을 특징으로 하는 회절 광학 소자. - 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 회절 광학 소자는 상기 미세구조 층(10)의 상부면에 또는 상기 유리 기판(12)의 바닥면에 또는 상기 미세구조 층(10)과 상기 유리 기판(12) 사이에 적용된 전기 전도 또는 보호를 위한 추가 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 회절 광학 소자. - 제14항에 있어서,
상기 추가 층은 ITO 또는 금속으로 만들어진 전기 전도성 층인 것을 특징으로 하는 회절 광학 소자. - 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유리 기판(12)은, 플라즈마 파워 1600 w; 기판 파워 200 w; 25 SCCM의 가스 유량; 및 압력 0.2 Pa일 때 C4F8 또는 SF6의 에칭 가스에 대해 0.01 ~ 0.8 ㎛/분의 범위, 바람직하게 0.01 ~ 0.3 ㎛/분의 범위의 두께 방향으로의 에칭 속도를 나타내는 것을 특징으로 하는 회절 광학 소자. - 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유리 기판(12)은 30 ㎛ 미만, 바람직하게 20 ㎛, 10 ㎛, 5 ㎛, 3 ㎛, 또는 2 ㎛ 미만, 가장 바람직하게 1 ㎛ 미만의 TTV를 나타내는 것을 특징으로 하는 회절 광학 소자. - 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유리 기판(12)은 400 ㎛ 미만, 바람직하게 300 ㎛, 200 ㎛, 100 ㎛, 50 ㎛, 또는 20 ㎛ 미만, 가장 바람직하게 10 ㎛ 미만의 워프(warp)를 나타내는 것을 특징으로 하는 회절 광학 소자. - 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 회절 광학 소자는 1개가 넘는, 상하로 적층된 하나의 유리 기판(12) 및 하나의 미세구조 층(10)의 쌍을 포함하는 것을 특징으로 하는 회절 광학 소자. - 제19항에 있어서,
상기 유리 기판(12)과 상기 미세구조 층(10)은 상하로 교번하여 배치되는 것을 특징으로 하는 회절 광학 소자. - 제19항에 있어서,
상기 미세구조 층(10)은 상기 유리 기판(12)의 양측에 배치되는 것을 특징으로 하는 회절 광학 소자. - 제19항에 있어서,
상기 유리 기판(12) 및 상기 미세구조 층(10)은, 적어도 2개의 미세구조 층(10)이 서로 접촉하는 방식으로 배치되는 것을 특징으로 하는 회절 광학 소자. - 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 미세구조 층은 미세구조의 적어도 1개의 단, 바람직하게 2개의 단, 보다 바람직하게 3개 이상의 단을 포함하는 것을 특징으로 하는 회절 광학 소자. - 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유리 기판은 최대 15ppm/K의 CTE를 가지는 것을 특징으로 하는 회절 광학 소자. - 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유리 기판의 CTE 대 상기 미세구조 층의 CTE의 비는 적어도 0.1인 것을 특징으로 하는 회절 광학 소자.
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