KR20220098380A - 파장 선택 필터 및 파장 선택 필터를 제조하기 위한 방법 - Google Patents

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KR20220098380A
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미즈히사 니헤이
펑 위
요시아키 카나모리
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후아웨이 테크놀러지 컴퍼니 리미티드
고쿠리츠다이가쿠호진 도호쿠다이가쿠
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Abstract

[과제]
본 출원의 목적은 표면 플라스몬 공명을 활용하는 파장 선택 필터를 제공하는 것을 포함하며, 여기서, 파장 선택 필터는 근적외선 파장 구역에서 피크 파장을 갖고, 파장 선택 필터는 종래의 필터보다 더 좁은 반치전폭의 투과 파장을 갖는다.
[솔루션]
파장 선택 필터는, 저굴절률 층과 고굴절률 층을 교대로 갖는 다층 구조, 및 다층 구조의 저굴절률 층을 향하는 주기적 구조 층을 포함하며, 저굴절률 층은 1.30 내지 1.60의 굴절률 및 100 ㎚ 내지 800 ㎚의 두께를 갖고, 고굴절률 층은 1.70 내지 2.20의 굴절률 및 30 ㎚ 내지 100 ㎚의 두께를 가지며, 그리고 주기적 구조 층의 두께 방향에 수직인 평면에서, 다층 구조 층은 금속 또는 반도체로 만들어진 주기적 구조를 갖는다.

Description

파장 선택 필터 및 파장 선택 필터를 제조하기 위한 방법
본 개시내용은 필터 기술 분야에 관한 것이다. 특히, 본 개시내용은 파장 선택 필터 및 파장 선택 필터를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
다양한 파장을 포함하는 입사광으로부터 특정 파장 범위를 갖는 투과된 광을 획득하기 위한 파장 선택 필터로서, 색소 재료(dye material)를 사용하는 파장 선택 필터, 유전체 재료의 다층 막을 사용하는 파장 선택 필터, 및 표면 플라스몬 공명(surface plasmon resonance)을 활용하는 파장 선택 필터가 알려져 있다.
색소 재료를 사용하는 파장 선택 필터는, UV 광으로 인해 색소가 열화되기 때문에, 이 파장 선택 필터의 내구성이 높지 않은 문제를 갖는다. 유전체 재료의 다층 막을 사용하는 파장 선택 필터는, 고성능을 달성하기 위해서 많은 박막이 적층(laminate)되어야 하기 때문에, 제조 비용이 높은 경향이 있다는 문제를 갖는다.
표면 플라스몬 공명을 활용하는 파장 선택 필터는 금속 또는 반도체로 만들어진 주기적 구조를 가지며, 금속 또는 반도체와 유전체 재료 사이의 계면에서 생성되는 표면 플라스몬 공명을 활용한다(특허 문헌 1). 색소 재료를 사용하는 파장 선택 필터 및 유전체 재료의 다층 막을 사용하는 파장 선택 필터와 비교하여, 표면 플라스몬 공명을 활용하는 파장 선택 필터는, 그 제조 프로세스가 쉽고 그 제조 비용이 낮으며 동일한 기판 상에 상이한 투과 파장 범위를 갖는 필터를 제조하는 것이 쉽기 때문에 유리하다.
[특허 문헌 1] JP2007-41555A
위에서 설명된 바와 같이, 표면 플라스몬 공명을 활용하는 파장 선택 필터는, 그 제조 프로세스가 쉽고 그 제조 비용이 낮기 때문에 유리하지만, 투과 광의 반치전폭(full width at half maximum)이 비교적 넓다는 문제를 갖는다. 예컨대, 스마트폰, 센서, IOT 디바이스 등에 로딩되는 분광 센서, 초분광 이미징 카메라, 또는 광학 카메라와 같은 애플리케이션을 위해, 종래의 필터보다 더 좁은 반치전폭을 갖는 투과 광을 제공할 수 있는, 표면 플라스몬 공명을 활용하는 파장 선택 필터가 요구된다. 그 애플리케이션의 관점에서, 750 ㎚ 내지 1050 ㎚의 피크 파장을 갖는 파장 선택 필터가 요구된다.
본 개시내용은 전술된 문제를 고려하여 발명되었으며, 본 출원의 목적은, 표면 플라스몬 공명을 활용하는 파장 선택 필터를 제공하는 것 ―여기서, 파장 선택 필터는 근적외선 파장 구역에서 피크 파장을 갖고, 파장 선택 필터는 종래의 필터보다 더 좁은 반치전폭의 투과 광을 가짐―, 및 파장 선택 필터를 제조하기 위한 방법을 제공하는 것을 포함한다.
본 개시내용은, 금속 또는 반도체로 만들어진 주기적 구조와 미리 결정된 다층 구조를 조합함으로써 성능이 개선될 수 있는 파장 선택 필터를 제공한다. 그리고 본 출원은 다음의 양상을 이용한다.
(1) 제 1 양상에 따른 파장 선택 필터는, 저굴절률 층과 고굴절률 층을 교대로 갖는 다층 구조, 및 다층 구조의 저굴절률 층을 향하는 주기적 구조 층을 포함하며, 저굴절률 층은 1.30 내지 1.60의 굴절률 및 100 ㎚ 내지 800 ㎚의 두께를 갖고, 고굴절률 층은 1.70 내지 2.20의 굴절률 및 30 ㎚ 내지 100 ㎚의 두께를 가지며, 그리고 주기적 구조 층의 두께 방향에 수직(perpendicular)인 평면에서, 주기적 구조 층은 금속 또는 반도체로 만들어진 주기적 구조를 갖는다.
이 양상에 따른 파장 선택 필터는 특정 다층 구조와 주기적 구조 층의 조합으로 인해 바람직한 표면 플라스몬 공명을 실현한다. 그 결과, 이 양상에 따른 파장 선택 필터는, 근적외선 파장 구역에서의 피크 파장, 및 종래의 필터의 투과 파장보다 더 좁은 반치전폭(FWHM; full width at half maximum)의 투과 파장을 제공할 수 있다.
(2) 전술된 양상에 따른 파장 선택 필터에서는, 주기적 구조 층의 두께 방향에 수직인 평면에서, 주기적 구조는 1.30 내지 1.60의 굴절률을 갖는 제 1 재료에 의해 둘러싸일 수 있다.
이 양상에서, 제 1 재료가 대기 내의 수분에 의한 금속 산화 등으로부터 주기적 구조를 보호하기 때문에, 파장 선택 필터의 내구성이 개선된다. 추가하여, 특정 굴절률을 갖는 제 1 재료를 사용함으로써, 파장 선택 필터의 성능을 저하시키지 않으면서 파장 선택 필터의 내구성을 개선하는 것이 가능하다.
(3) 전술된 양상에 따른 파장 선택 필터에서는, 주기적 구조 층의 두께 방향에 수직인 평면에서, 파장 선택 필터는 2 개의 이웃하는 제 1 재료 사이에 제 2 재료를 가질 수 있고, 제 2 재료는 1.00 내지 1.20의 굴절률을 갖는다.
이 양상에서, 제 2 재료는 표면 플라스몬 공명에 영향을 미치고, 이에 따라서, 파장 선택 필터의 분해능(resolution)이 개선된다.
(4) 전술된 양상에 따른 파장 선택 필터에서, 주기적 구조는 제 1 재료로 만들어진 층에 내장될 수 있다.
이 양상에서, 제 1 재료는 주기적 구조를 보호하고, 이에 따라서, 파장 선택 필터의 내구성이 개선된다.
(5) 전술된 양상에 따른 파장 선택 필터에서, 다층 구조는, 2 개의 저굴절률 층 및 2 개의 저굴절률 층 사이에 포지셔닝된 하나의 고굴절률 층으로 구성된 3 층 구조일 수 있다.
이 양상에서, 다층 구조는 좁은 FWHM의 투과 광을 실현하기에 충분한 구성을 갖는 한편, 다층 구조는 광 투과를 너무 많이 차단하지는 않는다. 그 결과, 투과 광의 좁은 FWHM 및 높은 투과율 둘 모두를 실현하는 것이 가능하다.
(6) 전술된 양상에 따른 파장 선택 필터에서, 주기적 구조는 그리드 패턴으로 이격되어 배열되는 복수의 정사각형 아일랜드 구조로 구성될 수 있고, 정사각형 아일랜드 구조의 일 측의 길이는 정사각형 아일랜드 구조의 어레인지먼트 피치(arrangement pitch)의 65% 내지 85%일 수 있다.
이 양상에서, 어레인지먼트 피치에 대해 특정 사이즈를 갖는 정사각형 아일랜드 구조를 사용함으로써, 바람직한 표면 플라스몬 공명이 실현된다. 그 결과, 높은 투과율이 획득될 수 있다.
(7) 제 2 양상에 따른 파장 선택 필터를 제조하기 위한 방법은, 다층 구조를 형성하기 위해 저굴절률 층과 고굴절률 층을 교대로 증착하는 단계; 금속 또는 반도체의 층을 증착하는 단계; 및 주기적 구조를 형성하기 위해 금속 또는 반도체의 층을 패터닝하는 단계를 포함한다.
이 양상에 의해 생성되는 파장 선택 필터는 특정 다층 구조와 주기적 구조 층을 조합함으로써 바람직한 표면 플라스몬 공명을 실현할 수 있다. 그 결과, 바람직한 표면 플라스몬 공명이 실현되는 유리한 효과를 실현하는 것이 가능하다.
도 1은 본 출원의 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 개략적인 구조도이고;
도 1은 기판(100) 상에 배치된, 본 실시예에 따른 파장 선택 필터의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 파장 선택 필터 및 본 실시예에 따른 파장 선택 필터의 예시적인 SEM(scanning electron microscope) 이미지의 개략적인 평면도이다.
도 3은 바람직한 실시예에 따른 파장 선택 필터의 개략적인 단면도이다.
도 4는 바람직한 실시예에 따른 파장 선택 필터의 개략적인 단면도이다.
도 5는 바람직한 실시예에 따른 파장 선택 필터의 개략적인 단면도이다.
도 6은 이미지 센서(110)를 갖는, 본 실시예에 따른 파장 선택 필터의 개략적인 단면도이다.
도 7은 도 5에서 설명된 구성에 따른 파장 선택 필터의 투과 광의 시뮬레이션 결과이다.
도 8은 본 실시예에 따른 파장 선택 필터의 제조 흐름이다.
도 9는 예에서 제조된 파장 선택 필터의 투과율의 측정 결과이다.
다음에서, 본 실시예는 도면을 참조하여 상세히 설명될 것이다. 다음의 설명에서 사용되는 도면은 본 개시내용의 특징의 쉬운 이해를 위해서 편의상 확대된 특징을 도시할 수 있으며, 각각의 컴포넌트의 치수비는 실제의 치수비와 상이할 수 있다. 다음의 설명에서 예시되는 재료, 치수 등은 단지 예일 뿐이며, 본 개시내용은 이에 제한되지 않는다. 본 개시내용은 본 개시내용의 요지를 벗어나지 않으면서 적절한 수정으로 구현될 수 있다.
[파장 선택 필터]
도 1은 기판(100) 상에 배치된, 본 실시예에 따른 파장 선택 필터의 개략적인 단면도를 도시한다. 파장 선택 필터는 저굴절률 층(300)과 고굴절률 층(200)을 교대로 갖는 다층 구조, 및 다층 구조의 저굴절률 층(300)을 향하는 주기적 구조 층을 포함한다. 주기적 구조 층의 두께 방향에 수직인 평면에서, 다층 구조는 금속 또는 반도체로 만들어진 주기적 구조(400)를 갖는다.
<다층 구조>
본 실시예에 따른 다층 구조는 저굴절률 층(300)과 고굴절률 층(200)을 교대로 갖는다. 본 실시예에 따른 파장 선택 필터에서, 다층 구조는 주기적 구조(400)로부터 유도되는 표면 플라스몬 공명에 영향을 미친다. 미리 결정된 다층 구조의 구성을 이용함으로써, 종래의 필터보다 더 좁은 반치전폭을 갖는 투과 광 스펙트럼이 획득될 수 있다. 표면 플라스몬 공명은 필터의 두께 방향의 구조뿐만 아니라, 필터의 두께에 수직인 방향(평면 내 방향)의 주기적 구조 층의 구조에 의해서도 영향을 받는다. 그러므로, 다층 구조의 구성을 수정함으로써, 표면 플라스몬 공명이 영향을 받는다. 그 결과, 투과 광의 FWHM을 조정하는 것이 가능하다.
다층 구조의 층의 수는 제한되지 않으며, 다층 구조는 적어도 하나의 저굴절률 층(300) 및 적어도 하나의 고굴절률 층(200)을 가질 수 있다. 그러나, 다층 구조가 많은 층을 갖는 경우 투과율이 낮아지기 때문에, 다층 구조의 층의 수는 바람직하게는 10 개 이하, 더 바람직하게는 5 개 이하, 그리고 더 바람직하게는 3 개 이하이다. 다층 구조의 층의 수가 10 개 이하인 경우, 투과 광의 좁은 반치전폭 및 높은 투과율이 달성될 수 있다. 다층 구조에 너무 많은 층을 사용하지 않음으로써, 다층 구조는 광 투과를 너무 많이 차단하지는 않으며, 이에 따라서, 높은 투과율이 실현된다. 또한, 2 개 이상의 층을 포함하는 다층을 사용함으로써, 좁은 FWHM의 투과 광이 실현된다.
특히, 다층 구조는 바람직하게는, 2 개의 저굴절률 층(300) 및 2 개의 저굴절률 층(300) 사이에 포지셔닝된 하나의 고굴절률 층(200)으로 구성된 3 층 구조이다.
(저굴절률 층)
본 실시예에 따른 저굴절률 층(300)은 1.30 내지 1.60의 굴절률 및 100 ㎚ 내지 800 ㎚의 두께를 갖는다. 본 출원에서, "굴절률"은 750 ㎚ 내지 1050 ㎚의 파장을 갖는 광에 대한 굴절률을 의미할 수 있는데, 예컨대, 900 ㎚의 파장을 갖는 광에 대한 굴절률을 의미할 수 있다. 이 범위의 굴절률 및 두께를 갖는 저굴절률 층(300)을 이용함으로써, 좁은 반치전폭 및 높은 투과율을 갖는 투과 광이 획득될 수 있다.
저굴절률 층(300)의 굴절률은 바람직하게는 1.40 내지 1.55이다. 저굴절률 층(300)의 두께는 바람직하게는 100 ㎚ 내지 300 ㎚이고, 더 바람직하게는 170 ㎚ 내지 190 ㎚이며, 더 바람직하게는 178 ㎚ 내지 182 ㎚이다.
저굴절률 층(300)의 재료는, 위의 굴절률이 충족되는 한, 제한되지 않는다. 저굴절률 층(300)의 재료로서 무기 재료가 사용될 수 있고, 저굴절률 층(300)의 재료로서 폴리머와 같은 유기 재료가 사용될 수 있다. 저굴절률 층(300)의 재료로서 무기 재료를 사용하는 것이 바람직하고, 무기 절연 재료를 사용하는 것이 더 바람직하다. 저굴절률 층(300)의 재료로서 무기 재료를 사용함으로써, 파장 선택 필터의 내구성을 개선하는 것이 가능하다.
예컨대, 저굴절률 층(300)의 재료로서, 플루오라이드, 이를테면, 마그네슘 플루오라이드(MgF2) 및 칼슘 플루오라이드(CaF2), 그리고 옥사이드, 이를테면, 실리콘 디옥사이드(SiO2)를 사용하는 것이 가능하다. 저굴절률 층(300)의 재료로서 실리콘 디옥사이드를 사용하는 것이 바람직하다.
(고굴절률 층)
본 실시예에 따른 고굴절률 층(200)은 1.70 내지 2.20의 굴절률 및 30 ㎚ 내지 100 ㎚의 두께를 갖는다. 이 범위의 굴절률 및 두께를 갖는 고굴절률 층(200)을 이용함으로써, 좁은 반치전폭 및 높은 투과율을 갖는 투과 광이 획득될 수 있다.
고굴절률 층(200)의 굴절률은 바람직하게는 1.90 내지 2.10이고, 더 바람직하게는 1.90 내지 2.00이다. 고굴절률 층(200)의 두께는 바람직하게는 60 ㎚ 내지 100 ㎚이고, 더 바람직하게는 70 ㎚ 내지 90 ㎚이며, 더 바람직하게는 78 ㎚ 내지 82 ㎚이다.
고굴절률 층(200)의 재료는, 위의 굴절률이 충족되는 한, 제한되지 않는다. 고굴절률 층(200)의 재료로서 무기 재료가 사용될 수 있고, 고굴절률 층(200)의 재료로서 폴리머와 같은 유기 재료가 사용될 수 있다. 고굴절률 층(200)의 재료로서 무기 재료를 사용하는 것이 바람직하고, 무기 절연 재료를 사용하는 것이 더 바람직하다. 고굴절률 층(200)의 재료로서 무기 재료를 사용함으로써, 파장 선택 필터의 내구성을 개선하는 것이 가능하다.
예컨대, 고굴절률 층(200)의 재료로서, 옥사이드, 이를테면, 마그네슘 옥사이드(MgO), 알루미늄 옥사이드(Al2O3), 징크 옥사이드(ZnO), 및 하프늄 옥사이드(HfO2)를 사용하는 것이 가능하다. 고굴절률 층(200)의 재료로서 하프늄 옥사이드를 사용하는 것이 바람직하다.
<주기적 구조 층>
본 실시예에 따른 주기적 구조 층은 다층 구조의 저굴절률 층(300)을 향한다. 저굴절률 층(300)의 두께 방향에 수직인 평면에서, 다층 구조는 금속 또는 반도체로 만들어진 주기적 구조(400)를 갖는다. 주기적 구조(400)는, 금속 또는 반도체로 만들어진 많은 구조적 오브젝트를 주기적으로 배열함으로써 형성된다. 많은 구조적 오브젝트는 N*M 어레이로 배열되고, 모든 각각의 2 개의 구조적 오브젝트 사이의 거리는 동일하다. 특히, N*M 어레이의 모든 각각의 2 개의 구조적 오브젝트 사이의 최소 거리는 동일하다. 표면 플라스몬 공명은 주기적 구조(400)로 인해 발생한다.
주기적 구조(400)에서, 금속 또는 반도체로 만들어진 구조적 오브젝트의 폭(A) 및 금속 또는 반도체로 만들어진 구조적 오브젝트의 어레인지먼트 피치(P)는 원하는 투과 파장에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 폭(A)은 어레인지먼트 피치(P)로부터 구조적 오브젝트 사이의 최소 클리어런스(minimum clearance)를 감산함으로써 획득된 값으로서 정의된다. 어레인지먼트 피치(P)는, 구조적 오브젝트 사이의 클리어런스가 최소인 방향에서의 구조적 오브젝트의 반복 거리이다. 구조 오브젝트의 폭(A)의 연장 방향과 구조 오브젝트의 어레인지먼트 피치(P)의 연장 방향은 동일하다는 것이 주목되어야 한다. 예컨대, 어레인지먼트 피치(P)는 100 ㎚ 내지 1500 ㎚일 수 있으며, 바람직하게는 400 ㎚ 내지 800 ㎚이다. 금속 또는 반도체로 만들어진 구조적 오브젝트의 두께(높이)는 20 ㎚ 내지 80 ㎚일 수 있으며, 바람직하게는 20 ㎚ 내지 40 ㎚이며, 더 바람직하게는 28 ㎚ 내지 32 ㎚이다.
주기적 구조(400)는 표면 플라스몬 공명의 효과를 제공할 수 있는 임의의 금속 또는 반도체로 형성될 수 있다. 예컨대, 주기적 구조(400)는 Al, Au, Ag, Cu, Mg, Zr, In, Sn, Fe, Co, Ni, Rh, Ir 및 Pr과 같은 금속 단독으로, 또는 그 합금으로 형성될 수 있다. 주기적 구조(400)는 전도성 옥사이드, 이를테면, ITO(Indium Tin Oxide) 및 징크 옥사이드로 형성될 수 있다. 주기적 구조(400)는 바람직하게는, Al, Au, 또는 그 합금으로 형성되는데, 그 이유는 Al, Au, 또는 그 합금이 높은 표면 플라스몬 공명 효과를 나타낼 수 있기 때문이다. Al로 주기적 구조(400)를 형성하는 것이 특히 바람직하다.
주기적 구조(400)는 표면 플라스몬 공명을 유발할 수 있는 임의의 주기적 구조일 수 있고, 정사각형 그리드 형상, 삼각형 그리드 형상 또는 스트라이프 형상과 같은 구조일 수 있다. 주기적 구조 층의 두께 방향에 수직인 평면에서, 주기적 구조 층(400)을 구성하는 구조적 오브젝트의 형상은 원형, 타원형, 다각형, 정삼각형, 정사각형 또는 정육각형과 같은 임의의 형상일 수 있다. 파장 선택 필터의 특성은 구조적 오브젝트의 형상에 의해 제어될 수 있다. 일반적으로, (i) 선택되는 파장은 구조적 오브젝트의 피치 및 사이즈에 의해 결정될 수 있고; (ⅱ) 구조적 오브젝트에 의한 표면 커버리지가 낮은 경우 투과율이 개선되고; (ⅲ) 다층 구조에서의 굴절률 차이가 큰 경우 파장 선택 필터의 분해능이 개선되며; 그리고 (ⅳ) 다층 구조가 더 많은 층을 포함함에 따라 파장 선택 필터의 분해능은 개선되는 반면, 다층 구조가 더 많은 층을 포함함에 따라 투과율은 감소한다.
주기적 구조(400)는 바람직하게는, 그리드 패턴으로 이격되어 배열되는 복수의 정사각형 아일랜드 구조로 구성되며, 정사각형 아일랜드 구조의 일 측의 폭(A)은 바람직하게는, 정사각형 아일랜드 구조의 어레인지먼트 피치(P)의 65% 내지 85%이다. 정사각형 아일랜드 구조의 일 측의 폭(A)은 더 바람직하게는, 정사각형 아일랜드 구조의 어레인지먼트 피치(P)의 70% 내지 80%이다. 어레인지먼트 피치에 대한 정사각형 아일랜드 구조의 미리 결정된 사이즈 비(size ratio)를 이용함으로써, 바람직한 표면 플라스몬 공명이 실현될 수 있고, 높은 투과율이 획득될 수 있다.
도 2의 (a)는 본 실시예에 따른 파장 선택 필터의 개략적인 평면도를 도시한다. 그리드 패턴으로 이격되어 배열되는 복수의 정사각형 아일랜드 구조로 구성된 주기적 구조(400)는 다층 구조 상에 배열된다. 도 2의 (b)는 본 실시예에 따른 파장 선택 필터의 예시적인 SEM(scanning electron microscope) 이미지를 도시한다.
주기적 구조(400)는 동일한 다층 구조 상에서 상이한 폭(A) 및/또는 어레인지먼트 피치(P)를 갖는 복수의 영역을 가질 수 있다. 동일한 영역에 있는 구조적 오브젝트는 동일한 형상을 갖고, 동일한 영역에 있는 어레인지먼트 피치의 2 개마다 동일하다는 것이 주목되어야 한다. 상이한 폭(A) 및/또는 어레인지먼트 피치(P)를 갖는 복수의 영역은 상이한 파장을 갖는 광을 선택적으로 통과시킨다. 특정 파장을 선택적으로 통과시키는 영역이 픽셀을 형성한다.
주기적 구조 층의 두께 방향에 수직인 평면에서, 주기적 구조(400)는 바람직하게는, 1.30 내지 1.60의 굴절률을 갖는 제 1 재료에 의해 둘러싸인다. 도 3은 바람직한 실시예에 따른 파장 선택 필터의 개략적인 단면도를 도시한다. 도 3에 도시된 실시예에서, 주기적 구조 층의 두께 방향에 수직인 평면에서, 주기적 구조(400)는 제 1 재료(500)에 의해 둘러싸인다. 이 구성에 의해, 주기적 구조(400)가 대기 내의 수분에 의해 금속 산화 등으로부터 보호될 수 있기 때문에, 파장 선택 필터의 내구성이 개선된다. 전술된 범위 내의 굴절률을 갖는 제 1 재료(500)를 사용함으로써, 파장 선택 필터의 성능을 저하시키지 않으면서 파장 선택 필터의 내구성을 개선하는 것이 가능하다.
제 1 재료(500)의 굴절률은 바람직하게는 1.40 내지 1.55이다. 제 1 재료(500)의 재료는, 굴절률이 위의 범위 내에 있는 한, 제한되지 않는다. 제 1 재료(500)의 재료로서 무기 재료가 사용될 수 있고, 제 1 재료(500)의 재료로서 폴리머와 같은 유기 재료가 사용될 수 있다. 제 1 재료(500)의 재료로서 무기 재료를 사용하는 것이 바람직하고, 무기 절연 재료를 사용하는 것이 더 바람직하다. 제 1 재료(500)의 재료로서 무기 재료를 사용함으로써, 파장 선택 필터의 내구성을 개선하는 것이 가능하다.
예컨대, 제 1 재료(500)로서, 플루오라이드, 이를테면, 마그네슘 플루오라이드(MgF2) 및 칼슘 플루오라이드(CaF2), 그리고 옥사이드, 이를테면, 실리콘 디옥사이드(SiO2)를 사용하는 것이 가능하다. 제 1 재료(500)로서 실리콘 디옥사이드를 사용하는 것이 바람직하다. 제 1 재료(500)와 저굴절률 층(300)의 재료는 동일할 수 있고, 그리고 상이할 수 있다. 바람직하게는, 제 1 재료(500)와 저굴절률 층(300)의 재료는 동일하다.
주기적 구조(400)는 바람직하게는, 제 1 재료(500)로 만들어진 층에 내장된다. 바람직한 실시예에 따른 파장 선택 필터의 예가 도 3에 도시된다. 이 경우, 파장 선택 필터의 내구성이 특히 개선된다. 본 출원에서, "주기적 구조(400)는 제 1 재료(500)로 만들어진 층에 내장된다"는, 제 1 재료(500)로 만들어진 층의 두께가 주기적 구조(400)의 두께보다 더 두껍고 주기적 구조(400)는 제 1 재료(500)로 만들어진 층 내부에 존재한다는 것을 의미한다.
주기적 구조(400)가 제 1 재료(500)로 만들어진 층에 내장되는 경우, 다층 구조에 대향하는, 제 1 재료(500)로 만들어진 층의 표면은 바람직하게는 편평하다. 다시 말해서, 표면의 산술 평균 추정(Ra)은 바람직하게는 10 ㎚ 이하, 더 바람직하게는 3 ㎚ 이하, 그리고 더 바람직하게는 1 ㎚ 이하이다. 다층 구조에 대향하는, 제 1 재료(500)로 만들어진 층의 표면이 편평한 경우, 다층 구조에 대향하는, 제 1 재료(500)로 만들어진 층의 표면 상에 온-칩 렌즈(on-chip lens)를 장착하는 것이 쉬워진다. 온-칩 렌즈를 장착함으로써, 이미지 센서로의 투과 광의 입사각이 제어될 수 있다. 그 결과, 이미지 센서의 검출 감도 및/또는 파장 분해능이 개선된다.
다른 바람직한 실시예에서, 주기적 구조 층의 두께 방향에 수직인 평면에서, 파장 선택 필터는 2 개의 이웃하는 제 1 재료(500) 사이에 제 2 재료를 가질 수 있고, 제 2 재료는 1.00 내지 1.20의 굴절률을 갖는다. 바람직한 실시예에 따른 파장 선택 필터의 개략적인 단면도가 도 4에 도시된다. 본 실시예에 따른 파장 선택 필터에서, 주기적 구조(400)는 제 1 재료(500)로 만들어진 얇은 층(얇은 막)으로 커버된다. 제 2 재료는 임의의 가스일 수 있으며, 바람직하게는 공기이다.
주기적 구조(400)를 둘러싸는 제 1 재료(500) 사이에 제 1 재료(500)의 굴절률보다 더 낮은 굴절률을 갖는 제 2 재료가 존재하는 경우, 파장 선택 필터의 분해능이 개선된다. 제 2 재료의 굴절률은 바람직하게는 1.00 내지 1.10이고, 더 바람직하게는 1.00 내지 1.05이다.
도 4에 도시된 실시예에서, 제 1 재료(500)로 만들어진 층의 두께는 1 ㎚ 내지 50 ㎚일 수 있고, 바람직하게는 20 ㎚ 내지 40 ㎚이며, 더 바람직하게는 28 ㎚ 내지 32 ㎚이다. 이 범위 내의 두께를 이용함으로써, 주기적 구조(400)를 충분히 보호하면서, 좁은 반치전폭을 갖는 투과 광을 획득하는 것이 가능하다.
도 5에 도시된 바와 같이, 3 개의 층을 갖는 다층 구조와, 제 1 재료(500) 사이에 제 2 재료를 갖는 주기적 구조 층을 조합하는 것이 바람직하다. 이 조합을 이용함으로써, 더 좁은 반치전폭을 갖는 투과 광이 획득될 수 있다.
<기판>
본 실시예에 따른 파장 선택 필터는 기판(100) 상에 배열될 수 있다. 기판(100)은 임의의 재료로 만들어질 수 있다. 기판(100)은 바람직하게는 무기 재료로 만들어지고, 더 바람직하게는 반도체 또는 유리로 만들어진다. 예컨대, 기판(100)은 유리 기판일 수 있다.
본 실시예에 따른 파장 선택 필터는 투과 광을 검출하기 위해 기판(100)과 다층 구조 사이에 이미지 센서를 포함할 수 있다. 도 6은 기판(100)과 다층 구조 사이에 이미지 센서(110)를 갖는, 본 실시예에 따른 파장 선택 필터의 개략적인 단면도를 도시한다. 도 6에 도시된 파장 선택 필터는 3 개의 영역(PX1, PX2, PX3)을 갖고, 주기적 구조(400)는 영역 각각에서 상이한 어레인지먼트 피치(P1, P2, P3)를 갖는다. 그러므로, 각각의 영역(PX1, PX2, PX3)은 상이한 파장을 선택적으로 통과시킨다. 각각의 영역에 배열된 이미지 센서(110)는 상이한 파장을 갖는 광을 검출하고, 이에 따라서, 도 6의 센서는 분광 센서 또는 초분광 이미징 카메라로서 작동한다.
임의의 종류의 이미지 센서가 이미지 센서(110)로서 사용될 수 있다. 예컨대, 기판(100)으로서 Si 기판이 사용될 수 있고, 이미지 센서(110)로서 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 이미지 센서가 사용될 수 있다. 센서의 감도는 각각의 영역(PX1, PX2, PX3)에서 더 큰 CMOS 센서 구조를 이용함으로써 개선될 수 있다.
[파장 선택 필터의 광학적 특성]
본 실시예에 따른 파장 선택 필터는 근적외선 파장 구역에서 피크 파장을 가질 수 있다. 구체적으로, 피크 파장은 바람직하게는 750 ㎚ 내지 1050 ㎚의 범위 내에 있다. 본 실시예에 따른 파장 선택 필터는 좁은 반치전폭을 가질 수 있다. 구체적으로, 투과 광의 피크 파장에 대한 투과율 분포의 반치전폭(FWHM; full width at half maximum)은 100 ㎚ 이하일 수 있고, 바람직하게는 50 ㎚ 이하이며, 더 바람직하게는 30 ㎚ 이하이다.
도 7은 도 5에 설명된 구성에 따른 파장 선택 필터의 투과 광의 RCWA(Rigorous Coupled Wave Analysis) 방법을 사용하여 계산된 시뮬레이션 결과를 도시한다. RCWA 방법은 정확한 전자기장 분석 방법 중 하나이다. 시뮬레이션 조건은 다음과 같다: 기판(100)은 유리 기판이고; 저굴절률 층(300, 300')은 180 ㎚의 두께를 갖는 SiO2 층이고; 고굴절률 층(200)은 80 ㎚의 두께를 갖는 HfO2 층이고; 주기적 구조(400)는 그리드 패턴으로 이격되어 배열되는, 30 ㎚의 두께를 갖는 복수의 정사각형 아일랜드 구조로 구성되고; 주기적 구조(400)는 알루미늄으로 만들어지고; 제 1 재료(500)로 만들어진 층은 30 ㎚의 두께를 갖는 SiO2 층이며; 그리고 제 2 재료는 공기이다. 추가하여, 구조적 오브젝트의 폭(A)은 구조적 오브젝트의 어레인지먼트 피치(P)의 0.75 배로 세팅된다. 그런 다음, 어레인지먼트 피치(P)를 7.5 ㎚ 증분(increment)으로 510 ㎚로부터 733.5 ㎚로 변화시킴으로써, 파장 선택 필터의 광학 특성이 계산되었다. 도 7을 참조하면, 피크 파장이 750 ㎚ 내지 1050 ㎚의 범위를 커버하고, 10 ㎚의 파장 분해능 및 80%의 투과율이 달성되었음을 알 수 있다. 그러므로, 전술된 구성에 따른 파장 선택 필터는, 근적외선 파장 구역에서 피크 파장을 가지며 그리고 종래의 필터보다 더 좁은 반치전폭의 투과 광을 갖는 것으로 예상된다.
[파장 선택 필터를 제조하기 위한 방법]
본 실시예에 따른 파장 선택 필터를 제조하기 위한 방법은, 다층 구조를 형성하기 위해 저굴절률 층(300)과 고굴절률 층(200)을 교대로 증착하는 단계; 금속 또는 반도체의 층을 증착하는 단계; 및 주기적 구조(400)를 형성하기 위해 금속 또는 반도체의 층을 패터닝하는 단계를 포함한다. 본 실시예에 따른 파장 선택 필터의 제조 흐름이 도 8에 도시된다.
도 8의 단계 (a)에서, 기판(100)이 제공될 수 있다. 이 단계 동안, 이미지 센서(110)가 기판(100) 상에 형성될 수 있다. 이 단계는, 기판(100)을 세정하고 그리고/또는 기판(100)의 표면을 평탄화하는 단계를 포함할 수 있다. 기판(100)의 세정 및 평탄화는 당해 기술분야에 알려진 임의의 프로세스를 통해 수행될 수 있다.
다음으로, 도 8의 단계 (b)에서, 다층 구조를 형성하기 위해 저굴절률 층(300)과 고굴절률 층(200)이 교대로 증착되며, 금속 또는 반도체의 층이 저굴절률 층(300)을 향하도록 금속 또는 반도체의 층이 증착된다. 저굴절률 층(300), 고굴절률 층(200), 및 금속 또는 반도체의 층은 임의의 프로세스를 통해 증착될 수 있고, 예컨대, 이러한 저굴절률 층(300), 고굴절률 층(200), 및 금속 또는 반도체의 층은 화학 기상 증착(CVD; chemical vapour deposition) 또는 물리 기상 증착(PVD; physical vapour deposition)에 의해 증착될 수 있다. 물리 기상 증착으로서 스퍼터링 방법이 사용될 수 있다.
다음으로, 도 8의 단계 (c) 내지 단계 (e)에서, 주기적 구조(400)를 형성하기 위해 금속 또는 반도체의 층이 패터닝된다. 패터닝 방법으로서 금속 마스크 기술, 광 또는 전자 빔을 사용하는 리소그래피 기술, 또는 나노임프린트 기술이 사용될 수 있다. 예컨대, 주기적 구조(400)로서 유지되어야 하는 금속 또는 반도체의 층의 일부에 대해 전자 빔 리소그래피를 사용하여 레지스트 막 패턴이 형성된다(도 8의 (c)).
그런 다음, 레지스트 막 패턴으로 커버되지 않은, 금속 또는 반도체의 층의 일부가 에칭에 의해 제거된다(도 8의 (d)). 에칭 방법으로서 임의의 알려진 방법이 사용될 수 있다. 에칭은 건식 에칭 또는 습식 에칭일 수 있다. 예컨대, 에칭은 염소계 가스를 사용하는 건식 에칭일 수 있다. 금속 또는 반도체의 층을 에칭할 때, 저굴절률 층(300)은 과잉 에칭(overetch)될 수 있다. 과잉 에칭의 정도는 바람직하게는 30 ㎚ 이하이고, 더 바람직하게는 10 ㎚ 이하이다.
그런 다음, 레지스트 막 패턴이 제거된다(도 8의 (e)). 레지스트 막 패턴은 임의의 방법에 의해 제거될 수 있고, 바람직하게는, 유기 용매를 사용하는 처리에 의해 또는 플라즈마를 사용하는 처리에 의해 제거된다. 예컨대, 레지스트 막 패턴은 산소-함유 가스를 사용하는 플라즈마 처리에 의해 제거될 수 있다. 주기적 구조(400)는 이 방식으로 형성될 수 있다.
본 실시예에 따른 파장 선택 필터를 제조하기 위한 방법은, 주기적 구조(400)가 형성된 후에 1.30 내지 1.60의 굴절률을 갖는 제 1 재료(500)를 증착하는 단계를 포함할 수 있다. 제 1 재료(500)는 임의의 프로세스를 통해 증착될 수 있고, 예컨대, 제 1 재료(500)는 화학 기상 증착(CVD; chemical vapour deposition) 또는 물리 기상 증착(PVD; physical vapour deposition)에 의해 증착될 수 있다. 물리 기상 증착으로서 스퍼터링 방법이 사용될 수 있다. 제 1 재료(500)를 증착한 후에, 제 1 재료(500)로 만들어진 층을 획득하기 위해 필요하다면 평탄화 처리 또는 패터닝이 수행될 수 있다. 평탄화 처리는 예컨대 CMP(chemical machine polishing)에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 도 3에 도시된 실시예에 따른, 제 1 재료(500)로 만들어진 층은, 제 1 재료(500)를 충분히 두껍게 증착한 후에 평탄화 처리를 수행함으로써 획득될 수 있다. 추가하여, 도 4에 도시된 실시예에 따른, 제 1 재료(500)로 만들어진 층은, 주기적 구조(400)가 형성된 후에 원하는 두께로 제 1 재료(500)로 만들어진 층을 증착함으로써 획득될 수 있다.
본 실시예에 따른 파장 선택 필터를 제조하기 위한 방법은, 제 1 재료(500)로 만들어진 층이 형성된 후에, 제 2 재료를 증착하고 증착된 제 2 재료를 평탄화하는 단계를 포함할 수 있다. 제 2 재료가 공기와 같은 가스 물질(gaseous matter)이면, 제 2 재료를 증착하는 단계는 필요하지 않다. 제 2 재료가 가스 물질이면, 제 1 재료(500)는 가스 물질이 존재하는 포지션을 조정하도록 패터닝될 수 있다.
본 실시예에 따른 파장 선택 필터를 제조하기 위한 방법은 온-칩 렌즈를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 온-칩 렌즈는 바람직하게는, 평탄화된 제 1 재료(500)로 만들어진 층 상에 형성된다. 온-칩 렌즈는 임의의 알려진 방법에 의해 형성될 수 있다.
[예]
이하에서, 본 개시내용이 예를 보여주면서 상세히 설명되지만, 본 개시내용의 효과가 실현되는 한, 본 개시내용은 예로 제한되지 않는다.
[파장 선택 필터의 제조]
<예 1>
기판으로서 유리 기판이 사용되었다. 고굴절률 층을 형성하기 위해 스퍼터링에 의해 유리 기판 상에 하프늄 옥사이드(HfO2)가 증착되었다. 고굴절률 층의 두께는 80 ㎚였다. 그런 다음, 저굴절률 층을 형성하기 위해 스퍼터링에 의해 고굴절률 층 상에 실리콘 디옥사이드(SiO2)가 증착되었다. 저굴절률 층의 두께는 180 ㎚였다. 그런 다음, 스퍼터링에 의해 저굴절률 층 상에 금속 알루미늄(Al)이 증착되었다. 증착된 알루미늄 박막의 두께는 30 ㎚였다. 알루미늄으로 만들어지고 그리드 패턴으로 이격되어 배열되는 복수의 정사각형 아일랜드 구조로 구성된 주기적 구조를 형성하기 위해, 알루미늄 박막은 전자 빔 리소그래피에 의해 패터닝되었다. 정사각형 아일랜드 구조는 평면도에서 정사각형였다. 정사각형 아일랜드 구조의 어레인지먼트 피치는 510 ㎚였고, 정사각형 아일랜드 구조의 일 측의 길이(폭)는 어레인지먼트 피치의 0.75 배였다.
<예 2>
정사각형 아일랜드 구조의 어레인지먼트 피치가 532.5 ㎚로 변화된 것을 제외하고는, 예 1과 동일한 방식으로 파장 선택 필터가 제조되었다.
<예 3>
정사각형 아일랜드 구조의 어레인지먼트 피치가 555 ㎚로 변화된 것을 제외하고는, 예 1과 동일한 방식으로 파장 선택 필터가 제조되었다.
<예 4>
정사각형 아일랜드 구조의 어레인지먼트 피치가 577.5 ㎚로 변화된 것을 제외하고는, 예 1과 동일한 방식으로 파장 선택 필터가 제조되었다.
<예 5>
정사각형 아일랜드 구조의 어레인지먼트 피치가 600 ㎚로 변화된 것을 제외하고는, 예 1과 동일한 방식으로 파장 선택 필터가 제조되었다.
[파장 선택 필터의 평가]
예 1 내지 예 5에서 제조된 파장 선택 필터의 투과율은 투과율 측정 디바이스(Lambda Vision Incorporated의 LVmicro-Z)에 의해 측정되었다. 측정 결과는 도 9에 도시되었다. 도 9를 참조하면, 주기적 구조의 어레인지먼트 피치를 510 ㎚로부터 600 ㎚로 변화시킴으로써 투과 광의 피크 파장이 약 770 ㎚로부터 약 870 ㎚로 시프트되었음을 알 수 있다. 따라서, 예 1 내지 예 5에 따른 파장 선택 필터는 근적외선 파장 구역에서 피크 파장을 갖는다.
추가하여, 예 1 내지 예 5에 따른 파장 선택 필터의 투과 광의 반치전폭은 약 30 ㎚ 내지 40 ㎚였다. 따라서, 예 1 내지 예 5의 투과 광은 종래 기술에 따른 표면 플라스몬 공명을 사용하는 파장 선택 필터보다 더 좁은 반치전폭을 가졌다.
[참조 번호의 설명]
100: 기판
200: 고굴절률 층
300, 300': 저굴절률 층
400: 주기적 구조
500: 제 1 재료

Claims (7)

  1. 파장 선택 필터로서,
    저굴절률 층과 고굴절률 층을 교대로 갖는 다층 구조, 및
    상기 다층 구조의 상기 저굴절률 층을 향하는 주기적 구조 층
    을 포함하며,
    상기 저굴절률 층은 1.30 내지 1.60의 굴절률 및 100 ㎚ 내지 800 ㎚의 두께를 갖고,
    상기 고굴절률 층은 1.70 내지 2.20의 굴절률 및 30 ㎚ 내지 100 ㎚의 두께를 가지며, 그리고
    상기 주기적 구조 층의 두께 방향에 수직(perpendicular)인 평면에서, 상기 주기적 구조 층은 금속 또는 반도체로 만들어진 주기적 구조를 갖는,
    파장 선택 필터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주기적 구조 층의 두께 방향에 수직인 평면에서, 상기 주기적 구조는 1.30 내지 1.60의 굴절률을 갖는 제 1 재료에 의해 둘러싸인,
    파장 선택 필터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 주기적 구조 층의 두께 방향에 수직인 평면에서, 상기 파장 선택 필터는 2 개의 이웃하는 제1 재료 사이에 제2 재료를 갖고, 상기 제2 재료는 1.00 내지 1.20의 굴절률을 갖는,
    파장 선택 필터.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 주기적 구조는 상기 제1 재료로 만들어진 층에 내장되는,
    파장 선택 필터.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다층 구조는, 2 개의 저굴절률 층 및 상기 2 개의 저굴절률 층 사이에 포지셔닝된 하나의 고굴절률 층으로 구성된 3 층 구조인,
    파장 선택 필터.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주기적 구조는 그리드 패턴으로 이격되어 배열되는 복수의 정사각형 아일랜드 구조로 구성되며, 그리고
    상기 정사각형 아일랜드 구조의 일 측의 폭은 상기 정사각형 아일랜드 구조의 어레인지먼트 피치(arrangement pitch)의 65% 내지 85%인,
    파장 선택 필터.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 파장 선택 필터를 제조하기 위한 방법으로서,
    상기 다층 구조를 형성하기 위해 상기 저굴절률 층과 상기 고굴절률 층을 교대로 증착하는 단계,
    상기 금속 또는 상기 반도체의 층을 증착하는 단계, 및
    상기 주기적 구조를 형성하기 위해 상기 금속 또는 상기 반도체의 상기 층을 패터닝하는 단계
    를 포함하는,
    파장 선택 필터를 제조하기 위한 방법.
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