KR20220129855A - Low-loss hydrogenated amorphous silicon transparent to visible light and Manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a low loss hydrogenated amorphous silicon transparent in visible light and a method for preparing the same.
가시광 영역에서 동작하는 메타표면을 만들기 위해서는 높은 굴절률을 가지면서 빛의 흡수가 적은 투명한 실리콘이 필요하다.In order to make a metasurface that operates in the visible region, transparent silicon with a high refractive index and low light absorption is required.
그러나 종래에 사용되는 실리콘은 가시광 영역, 특히 파장 600 nm 이하의 영역에서는 높은 광손실이 발생하여 가시광 영역에서 불투명하다는 단점이 있다. However, conventionally used silicon has a disadvantage in that it is opaque in the visible region due to high light loss in the visible region, particularly in the region of
이러한 단점을 극복하기 위해서, 광손실이 적은 실리콘다이옥사이드(SiO2), 실리콘나이트라이드(Si3N4), 티타늄다이옥사이드(TiO2), 갈륨나이트라이드(GaN)등의 재료를 이용한 실리콘의 제조가 시도된바 있다. In order to overcome these disadvantages, the production of silicon using materials such as silicon dioxide (SiO 2 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), titanium dioxide (TiO 2 ), gallium nitride (GaN) with low light loss is difficult. has been tried
하지만, SiO2의 경우 굴절률이 1.45, SiN의 경우 굴절률이 1.9에 불과하여 메타표면에 활용이 제한되었다. However, in the case of SiO 2 , the refractive index is 1.45, and in the case of SiN, the refractive index is only 1.9, limiting its use in metasurfaces.
TiO2, GaN의 경우, 굴절률이 2.3 수준에 도달할 수 있지만 TiO2는 원자층증착방식 공정방법, GaN의 경우 하드마스크를 통한 두번의 에칭이 필요하여 메타표면의 생산 단가를 높이는 단점이 있다.In the case of TiO 2 and GaN, the refractive index can reach the level of 2.3, but TiO 2 requires an atomic layer deposition process method, and in the case of GaN, it requires two etchings through a hard mask, which increases the production cost of the metasurface.
본 발명의 실시예들은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 제안된 것으로서, 디스플레이 회사에서 널리 쓰이고 있는 플라즈마 화학기상장치를 활용하여 초기 제작설비 비용을 줄일 수 있는 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다. Embodiments of the present invention are proposed to solve the above problems, and transparent low loss hydrogenated amorphous silicon in visible light that can reduce initial manufacturing equipment cost by utilizing plasma chemical vapor device widely used in display companies, and method for manufacturing the same would like to provide
제작공정을 단순화하여 생산단가를 낮추고, 대량 생산 가능한 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a low-loss hydrogenated amorphous silicon transparent in visible light that can be mass-produced and reduced in production cost by simplifying the manufacturing process and a manufacturing method thereof.
높은 굴절률과 낮은 흡광계수를 갖는 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a low loss hydrogenated amorphous silicon transparent in visible light having a high refractive index and a low extinction coefficient and a method for manufacturing the same.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판을 제공하는 단계; 수소(H2) 가스와 실라인(SiH4) 가스를 챔버에 투입하는 플라즈마 강화 화학 기상 증착법을 이용하여 상기 기판 상에 유전체층을 증착시키는 단계를 포함하고, 상기 플라즈마 강화 화학 기상 증착법이 실행되는 상기 챔버 내부의 공정온도는 170℃내지 180℃이고, 공정압력은 20 mTorr 내지 30 mTorr로 제공되는 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘의 제조방법이 제공될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, there is provided a method comprising: providing a substrate; depositing a dielectric layer on the substrate using a plasma enhanced chemical vapor deposition method in which hydrogen (H 2 ) gas and silline (SiH 4 ) gas are introduced into a chamber, wherein the plasma enhanced chemical vapor deposition method is performed A process temperature inside the chamber is 170° C. to 180° C., and a process pressure of 20 mTorr to 30 mTorr can be provided.
또한, 상기 챔버 내부의 공정온도(TP)는 173℃내지 178℃이고, 공정압력(Pc)은 23 mTorr 내지 27 mTorr로 제공되는 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘의 제조방법이 제공될 수 있다.In addition, the process temperature ( TP ) inside the chamber is 173 °C to 178 °C, and the process pressure (Pc) is 23 mTorr to 27 mTorr A method of producing transparent low-loss hydrogenated amorphous silicon transparent in visible light can be provided.
또한, 기판을 제공하는 단계; 수소(H2) 가스와 실라인(SiH4) 가스를 챔버에 투입하는 플라즈마 강화 화학 기상 증착법을 이용하여 상기 기판 상에 유전체층을 증착시키는 단계를 포함하고, 상기 플라즈마 강화 화학 기상 증착법이 실행되는 상기 챔버 내부의 공정압력은 30 mTorr 내지 50 mTorr이고, 공정온도는 195℃내지 205℃로 제공되는 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘의 제조방법이 제공될 수 있다. Also, providing a substrate; depositing a dielectric layer on the substrate using a plasma enhanced chemical vapor deposition method in which hydrogen (H 2 ) gas and silline (SiH 4 ) gas are introduced into a chamber, wherein the plasma enhanced chemical vapor deposition method is performed The process pressure inside the chamber is 30 mTorr to 50 mTorr, and the process temperature is 195°C to 205°C.
또한, 상기 챔버 내부의 공정압력(Pc)은 35 mTorr 내지 45 mTorr이고, 공정온도(TP)는 200℃로 제공되는 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘의 제조방법이 제공될 수 있다.In addition, the process pressure (Pc) inside the chamber is 35 mTorr to 45 mTorr, the process temperature ( TP ) is a method for producing a low loss hydrogenated amorphous silicon transparent in visible light provided at 200 ℃ may be provided.
또한, 상기 챔버에는 전력(radio-frequency power, WRF) 800 W가 제공되고, 유량비(flow-rate ratio, γ)는 7.5로 제공되는 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘의 제조방법이 제공될 수 있다. In addition, the chamber is provided with a power (radio-frequency power, W RF ) 800 W, and a flow-rate ratio (γ) is provided as 7.5. A method of producing transparent low-loss hydrogenated amorphous silicon in visible light can be provided. .
또한, 수소(H2) 가스와 실라인(SiH4) 가스를 챔버에 투입하는 플라즈마 강화 화학 기상 증착법을 이용하여 상기 기판 상에 유전체층을 증착시키는 단계 이후에, 상기 유전체층을 복수 개의 나노구조체를 포함하는 메타표면으로 형성하는 단계를 더 포함하는 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘의 제조방법이 제공될 수 있다.In addition, after depositing a dielectric layer on the substrate using a plasma enhanced chemical vapor deposition method in which hydrogen (H 2 ) gas and silline (SiH 4 ) gas are introduced into the chamber, the dielectric layer includes a plurality of nanostructures A method for producing low-loss hydrogenated amorphous silicon transparent in visible light may be provided, further comprising the step of forming a meta-surface.
또한, 상기 유전체층을 복수 개의 나노구조체를 포함하는 메타표면으로 형성하는 단계는, 상기 유전체층에 레지스트를 코팅하는 단계(S31); 상기 레지스트에 전자빔을 조사하여 복수 개의 나노구조체가 형성될 수 있는 패턴을 형성하는 단계(S32); 상기 레지스트에 크롬층을 증착하고, 리프트오프 공정과 식각 공정을 실행하여 상기 레지스트와 상기 크롬층을 제거하여 상기 복수 개의 나노구조체가 형성된 메타표면을 형성하는 단계(S33)를 포함하는 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘의 제조방법이 제공될 수 있다. In addition, the step of forming the dielectric layer as a meta-surface including a plurality of nanostructures, coating a resist on the dielectric layer (S31); forming a pattern in which a plurality of nanostructures can be formed by irradiating the resist with an electron beam (S32); Depositing a chromium layer on the resist, performing a lift-off process and an etching process to remove the resist and the chromium layer to form a metasurface on which the plurality of nanostructures are formed (S33) Transparent low loss in visible light A method for producing hydrogenated amorphous silicon may be provided.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판과 수소화 비정질 실리콘으로 적층된 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘에 있어서, 상기 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘에 450nm 파장을 갖는 빛을 투과 시켰을때 소멸계수는 0.08 내지 0.09로 제공되고, 532nm로 파장을 갖는 빛을 투과 시켰을때 소멸계수는 0.015 내지 0.02로 제공되고, 635nm 파장을 갖는 빛을 투과 시켰을때 소멸계수는 0.005 내지 0.01로 제공되는 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘이 제공될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, in the low loss hydrogenated amorphous silicon transparent in visible light laminated with a substrate and hydrogenated amorphous silicon, when light having a wavelength of 450 nm is transmitted through the low loss hydrogenated amorphous silicon transparent in the visible light, the extinction coefficient is 0.08 to Low loss hydrogenated amorphous silicon transparent in visible light is provided as 0.09, and when light having a wavelength of 532 nm is transmitted, the extinction coefficient is 0.015 to 0.02, and when light having a wavelength of 635 nm is transmitted, the extinction coefficient is 0.005 to 0.01 This can be provided.
또한, 상기 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘에 450nm 파장을 갖는 빛을 투과시켰을 때, 조정가능한 굴절률의 범위는 1.6이고, 조정가능한 소멸계수의 범위는 0.4인 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘이 제공될 수 있다. In addition, when light having a wavelength of 450 nm is transmitted through the transparent low loss hydrogenated amorphous silicon in the visible light, the range of the adjustable refractive index is 1.6, and the range of the adjustable extinction coefficient is 0.4. have.
본 발명의 실시예들에 따른 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘의 제조방법은 플라즈마 화학기상장치를 활용할 수 있는바 초기 제작설비 비용을 줄일 수 있는 장점이 있다. The method for producing low-loss hydrogenated amorphous silicon transparent in visible light according to embodiments of the present invention has an advantage in that it can utilize a plasma chemical vapor deposition apparatus, thereby reducing the initial manufacturing equipment cost.
또한, 제작공정을 단순화하여 생산단가를 낮추고, 대량 생산 가능한 장점이 있다. In addition, there is an advantage in that the manufacturing process is simplified, the production cost is lowered, and mass production is possible.
또한, 높은 굴절률과 낮은 흡광계수를 갖는 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘을 제공할 수 있다. In addition, it is possible to provide a low loss hydrogenated amorphous silicon transparent in visible light having a high refractive index and a low extinction coefficient.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘의 제조방법의 순서도를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘의 제조방법에서 챔버 내부의 공정온도(TP)에 따른 소멸계수(extinction coefficient, k)를 나타내는 그래프이다.
도 3은 도 2의 공정온도(TP)에 따른 소멸계수(extinction coefficient, k)를 나타내는 표이다.
도 4는 도 1의 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘의 제조방법에서 챔버 내부의 공정압력(PC)에 따른 소멸계수(extinction coefficient, k)를 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 4의 공정압력(PC)에 따른 소멸계수(extinction coefficient, k)를 나타내는 표이다.
도 6은 도 1의 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘의 제조방법이 실행되는 챔버 내부를 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 도 1의 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘의 제조방법에서 S1 단계와 S2 단계를 거쳐 제작된 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)의 단면을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 도 1의 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘의 제조방법에서 S1 단계와 S2 단계를 거쳐 제작된 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)의 실제 사진을 나타낸다.
도 9는 도 8의 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)과 대비될 수 있는 종래의 실리콘의 실제 사진을 나타낸다.
도 10은 도 1의 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘의 제조방법에 의해 메타표면이 형성된 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 11은 타원측정법(ellipsometry)로 측정한 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)의 복합굴절률(complex refractive index)를 나타내는 그래프이다.
도 12는 플라즈마 강화 화학 기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)의 증착조건을 고려하여 얻을 수 있는 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)의 굴절률(n)과 소멸계수(extinction coefficient, k)의 조정가능한 범위(adjustable range)를 나타내는 그래프이다.
도 13은 공정온도(TP)에 따른 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)의 색상, 굴절률(n), 및 소멸계수(extinction coefficient, k)를 나타낸다.
도 14는 공정온도(TP)에 따른 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)의 색상, 굴절률(n), 및 소멸계수(extinction coefficient, k)를 나타낸다.
도 15는 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)의 X-ray 회절(XRD)패턴을 나타내는 그래프이다.1 is a diagram schematically showing a flowchart of a method for manufacturing low-loss hydrogenated amorphous silicon transparent in visible light according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing an extinction coefficient (k) according to a process temperature ( TP ) inside a chamber in the method for manufacturing low-loss hydrogenated amorphous silicon transparent in visible light of FIG. 1 .
3 is a table showing an extinction coefficient (k) according to the process temperature ( TP ) of FIG.
4 is a graph showing an extinction coefficient (k) according to the process pressure ( PC ) inside the chamber in the method for producing a low-loss hydrogenated amorphous silicon transparent in visible light of FIG. 1 .
5 is a table showing an extinction coefficient (k) according to the process pressure ( PC ) of FIG.
FIG. 6 is a view conceptually illustrating the inside of a chamber in which the method for manufacturing low-loss hydrogenated amorphous silicon transparent in visible light of FIG. 1 is performed.
7 is a diagram conceptually illustrating a cross-section of low-loss hydrogenated
FIG. 8 shows an actual photograph of low loss hydrogenated
FIG. 9 shows an actual photograph of conventional silicon that can be contrasted with the low loss hydrogenated
FIG. 10 is a view schematically showing low loss hydrogenated
11 is a graph showing the complex refractive index of the low-loss hydrogenated
12 shows the refractive index (n) and extinction coefficient (k) of low-loss hydrogenated amorphous silicon (1) transparent in visible light obtained by considering the deposition conditions of Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD). It is a graph showing the adjustable range of .
13 shows the color, refractive index (n), and extinction coefficient (k) of the low-loss hydrogenated amorphous silicon (1) transparent in visible light according to the process temperature ( TP ).
14 shows the color, refractive index (n), and extinction coefficient (k) of the low-loss hydrogenated amorphous silicon (1) transparent in visible light according to the process temperature ( TP ).
15 is a graph showing an X-ray diffraction (XRD) pattern of low-loss hydrogenated amorphous silicon (1) transparent in visible light.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘의 제조방법의 순서도를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘의 제조방법에서 챔버 내부의 공정온도(TP)에 따른 소멸계수(extinction coefficient, k)를 나타내는 그래프이며, 도 3은 도 2의 공정온도(TP)에 따른 소멸계수(extinction coefficient, k)를 나타내는 표이고, 도 4는 도 1의 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘의 제조방법에서 챔버 내부의 공정압력(Pc)에 따른 소멸계수(extinction coefficient, k)를 나타내는 그래프이며, 도 5는 도 4의 공정압력(Pc)에 따른 소멸계수(extinction coefficient, k)를 나타내는 표이고, 도 6은 도 1의 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘의 제조방법이 실행되는 챔버 내부를 개념적으로 나타내는 도면이고, 도 7은 도 1의 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘의 제조방법에서 S1 단계와 S2 단계를 거쳐 제작된 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)의 단면을 개념적으로 나타내는 도면이며, 도 8은 도 1의 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘의 제조방법에서 S1 단계와 S2 단계를 거쳐 제작된 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)의 실제 사진을 나타내고, 도 9는 도 8의 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)과 대비될 수 있는 종래의 실리콘의 실제 사진을 나타내며, 도 10은 도 1의 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘의 제조방법에 의해 메타표면이 형성된 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)을 개략적으로 나타낸다. 1 is a view schematically showing a flow chart of a method for producing low-loss hydrogenated amorphous silicon transparent in visible light according to an embodiment of the present invention, and FIG. It is a graph showing the extinction coefficient (k) according to the process temperature ( TP ), Figure 3 is a table showing the extinction coefficient (extinction coefficient, k) according to the process temperature ( TP ) of Figure 2, Figure 4 is a graph showing the extinction coefficient (k) according to the process pressure (Pc) inside the chamber in the manufacturing method of low-loss hydrogenated amorphous silicon transparent in the visible light of FIG. 1, and FIG. 5 is the process pressure (Pc) of FIG. It is a table showing the extinction coefficient (k) according to the table, and FIG. 6 is a view conceptually showing the inside of a chamber in which the method for manufacturing low-loss hydrogenated amorphous silicon transparent in visible light of FIG. 1 is performed, and FIG. 7 is a view in the visible light of FIG. It is a view conceptually showing a cross-section of a transparent low-loss hydrogenated amorphous silicon (1) transparent in visible light produced through steps S1 and S2 in the method for producing transparent low-loss hydrogenated amorphous silicon, and FIG. 8 is a transparent low-loss hydrogenated amorphous silicon in visible light of FIG. Shows an actual photo of low-loss hydrogenated amorphous silicon (1) transparent in visible light produced through steps S1 and S2 in the manufacturing method of Shows an actual photograph of conventional silicon, and FIG. 10 schematically shows low loss hydrogenated amorphous silicon (1) transparent in visible light on which a metasurface is formed by the manufacturing method of low loss hydrogenated amorphous silicon transparent in visible light of FIG.
도 1 내지 도 10를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘의 제조방법은, 기판(100)을 제공하는 단계(S1); 수소(H2) 가스와 실라인(SiH4) 가스를 챔버에 투입하는 플라즈마 강화 화학 기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)을 이용하여 상기 기판(100) 상에 유전체층(200)을 증착시키는 단계(S2)를 포함할 수 있다. 1 to 10 , a method for manufacturing low-loss hydrogenated amorphous silicon transparent in visible light according to an embodiment of the present invention includes providing a substrate 100 ( S1 ); Depositing the
여기서, 플라즈마 강화 화학 기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)이 실행되는 챔버의 공정온도(TP) 및 공정압력(Pc)을 특정 조건으로 조절함으로써, 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)이 제작될 수 있다. Here, by controlling the process temperature ( TP ) and the process pressure (Pc) of the chamber in which plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) is performed to specific conditions, low loss hydrogenated amorphous silicon transparent in visible light (1) This can be produced.
구체적으로, 챔버 내부의 공정온도(TP)는 170℃내지 180℃이고, 공정압력(Pc)은 20 mTorr 내지 30 mTorr로 제공될 수 있다. 바람직하게는 챔버 내부의 공정온도(TP)는 173℃내지 178℃이고, 공정압력(Pc)은 23 mTorr 내지 27 mTorr로 제공될 수 있다. 보다 바람직하게는 챔버 내부의 공정온도(TP)는 175℃이고, 공정압력(Pc)은 25 mTorr로 제공될 수 있다.Specifically, the process temperature ( TP ) inside the chamber may be 170°C to 180°C, and the process pressure (Pc) may be provided in a range of 20 mTorr to 30 mTorr. Preferably, the process temperature ( TP ) inside the chamber is 173 °C to 178 °C, and the process pressure (Pc) may be provided in a range of 23 mTorr to 27 mTorr. More preferably, the process temperature ( TP ) inside the chamber is 175°C, and the process pressure (Pc) may be provided as 25 mTorr.
이때, 전력(radio-frequency power, WRF)은 800 W로 제공되고, 수소(H2) 가스와 실라인(SiH4) 가스의 유량비(flow-rate ratio, γ)는 7.5로 제공될 수 있다.In this case, the power (radio-frequency power, W RF ) is provided as 800 W, and the flow-rate ratio (γ) of the hydrogen (H2) gas and the silline (SiH 4 ) gas may be provided as 7.5.
도 2 및 도 3에는 공정온도(TP)에 따른 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)의 소멸계수(extinction coefficient, k)를 나타내는 그래프와 표가 각각 나타나 있으며, 공정압력(Pc) 25 mTorr, 공정온도(TP) 175℃일때 소멸계수(extinction coefficient, k)가 가장 낮으며, 공정온도(TP) 175℃전후로 소멸계수(extinction coefficient, k)의 급격한 변화가 있음을 알 수 있다. 2 and 3, graphs and tables showing extinction coefficient (k) of transparent low-loss hydrogenated amorphous silicon (1) in visible light according to process temperature ( TP ) are shown, respectively, and process pressure (Pc) 25 mTorr , it can be seen that the extinction coefficient (k) is the lowest when the process temperature ( TP ) is 175°C, and there is a sharp change in the extinction coefficient (k) around the process temperature ( TP ) 175°C.
즉, 공정압력(Pc)이 25 mTorr일 때, 공정온도(TP) 175℃전후로 소멸계수(extinction coefficient, k)에 대한 임계적 의의가 있음을 알 수 있다.That is, when the process pressure (Pc) is 25 mTorr, the process temperature ( TP ) It can be seen that there is a critical significance for the extinction coefficient (extinction coefficient, k) around 175 ℃.
도 2 및 도 3에 나타난 조건에서 제작된 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)에 630nnm 내지 635nm 파장(빨강)을 갖는 빛을 입사 시켰을때 소멸계수(extinction coefficient, k)는 0.02이고, 530nm 내지 535nnm 파장(초록)을 갖는 빛을 입사시켰을 때의 소멸계수(extinction coefficient, k)는 0.04이고, 445nm 내지 455nm 파장(파랑)을 갖는 빛을 입사 시켰을때 소멸계수(extinction coefficient, k)는 0.13이다.When light having a wavelength (red) of 630 nm to 635 nm is incident on the transparent low-loss hydrogenated amorphous silicon (1) produced under the conditions shown in FIGS. 2 and 3, the extinction coefficient (k) is 0.02, and 530 nm to When light having a wavelength of 535 nm (green) is incident, the extinction coefficient (k) is 0.04, and when light having a wavelength (blue) of 445 nm to 455 nm is incident, the extinction coefficient (k) is 0.13 .
여기서, 소멸계수(extinction coefficient, k)가 낮다는 것은 빛이 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)에 조사되었을 때, 더욱 투명한 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)이 나타남을 의미한다. Here, the low extinction coefficient (k) means that when light is irradiated to the transparent low-loss hydrogenated amorphous silicon (1) in visible light, transparent low-loss hydrogenated amorphous silicon (1) appears more transparent in visible light.
또한, 챔버 내부의 공정압력(Pc)은 30 mTorr 내지 50 mTorr이고, 공정온도(TP)는 195℃내지 205℃로 제공될 수 있다. 바람직하게는 챔버 내부의 공정압력(Pc)은 35 mTorr 내지 45 mTorr이고, 공정압력(Pc)은 200℃로 제공될 수 있다. In addition, the process pressure (Pc) inside the chamber may be 30 mTorr to 50 mTorr, and the process temperature ( TP ) may be provided in a range of 195°C to 205°C. Preferably, the process pressure (Pc) inside the chamber is 35 mTorr to 45 mTorr, and the process pressure (Pc) may be provided at 200°C.
도 4 및 도 5에는 공정압력(Pc)에 따른 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)의 소멸계수(extinction coefficient, k)를 나타내는 그래프와 표가 각각 나타나 있으며, 공정온도(TP)가 200℃이고 공정압력(Pc)이 35 mTorr 내지 45 mTorr 일 때, 소멸계수(extinction coefficient, k)가 가장 낮으며, 공정압력(Pc) 35 mTorr 내지 45 mTorr 전후로 소멸계수(extinction coefficient, k)의 급격한 변화가 있음을 알 수 있다. 4 and 5 show graphs and tables showing extinction coefficient (k) of low-loss hydrogenated amorphous silicon (1) transparent in visible light according to process pressure (Pc), respectively, and process temperature ( TP ) is 200 ℃ and when the process pressure (Pc) is 35 mTorr to 45 mTorr, the extinction coefficient (k) is the lowest, and the extinction coefficient (k) abruptly around the process pressure (Pc) 35 mTorr to 45 mTorr It can be seen that there is a change.
즉, 공정온도(TP)가 200℃일때, 공정압력(Pc) 35 mTorr 내지 45 mTorr 전후로 소멸계수(extinction coefficient, k)에 대한 임계적 의의가 있음을 알 수 있다.That is, when the process temperature ( TP ) is 200 °C, it can be seen that there is a critical significance for the extinction coefficient (k) around the process pressure (Pc) 35 mTorr to 45 mTorr.
이때, 전력(radio-frequency power, WRF)은 800 W로 제공되고, 수소(H2) 가스와 실라인(SiH4) 가스의 유량비(flow-rate ratio, γ)는 7.5로 제공될 수 있다.In this case, the power (radio-frequency power, W RF ) is provided as 800 W, and the flow-rate ratio (γ) of the hydrogen (H 2 ) gas and the SiH 4 gas may be provided as 7.5. .
도 4 및 도 5에 나타난 조건에서 제작된 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)에 630nnm 내지 635nm 파장(빨강)을 갖는 빛을 입사 시켰을때 소멸계수(extinction coefficient, k)는 0.02이고, 530nm 내지 535nnm 파장(초록)을 갖는 빛을 입사시켰을 때의 소멸계수(extinction coefficient, k)는 0.04이고, 445nm 내지 455nm 파장(파랑)을 갖는 빛을 입사 시켰을때 소멸계수(extinction coefficient, k)는 0.13임을 알 수 있다. When light having a wavelength (red) of 630 nm to 635 nm is incident on the transparent low-loss hydrogenated amorphous silicon (1) in visible light produced under the conditions shown in FIGS. 4 and 5, extinction coefficient (k) is 0.02, and 530 nm to When light having a wavelength of 535 nm (green) is incident, the extinction coefficient (k) is 0.04, and when light having a wavelength (blue) of 445 nm to 455 nm is incident, the extinction coefficient (k) is 0.13 Able to know.
이와 같은 조건에서 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)을 제조하는 경우, 모든 RGB 파장에서 종래의 가장 투명하다고 알려진 결정질 실리콘보다 더 투명한 비정질실리콘이 제공될 수 있다. When manufacturing the low-loss hydrogenated
본 출원인은 상술한 바와 같이 플라즈마 강화 화학 기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)을 이용하되 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)을 제조하기 위한 최적의 공정온도(TP)와 공정압력(Pc)을 수많은 반복실험을 통해 도출하였다. The present applicant uses the plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) method as described above, but the optimal process temperature ( TP ) and process pressure ( Pc) was derived through numerous repeated experiments.
상술한 S1 단계와 S2 단계를 거치는 경우, 도 7 및 도 8에 도시된 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)이 제작될 수 있다. When the above-described steps S1 and S2 are performed, low loss hydrogenated
도 8에 도시된 본 실시예의 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘의 제조방법으로 제조된 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)과 도 9에 도시된 종래의 실리콘을 비교하면, 도 8에 도시된 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)의 두께가 73nm로 도 9에 도시된 실리콘의 두께 48nm 보다 더 두꺼움에도 더 투명함을 알 수 있다.Comparing the conventional silicon shown in FIG. 9 with the low-loss hydrogenated
본 실시예에서 유전체층(200)의 두께는 10nm 내지 100nm로 제공될 수 있다. In this embodiment, the thickness of the
또한, 상술한 유전체층(200)은 용융실리카(fused silica)로 제공되는 기판(100)에 증착될 수 있다. 여기서, 기판(100)은 2cm x 2cm 크기로 제공될 수 있으나, 이는 예시적인 것으로 기판(100)의 크기는 이에 한정되는 것은 아니다. In addition, the above-described
이와 같은 수소(H2) 가스와 실라인(SiH4) 가스는 하기와 같은 식에 의해 유전체층(200)은 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)으로 제공될 수 있다.The hydrogen (H2) gas and the silline (SiH4) gas may be provided in the
이와 같은 과정에서 일부 H 원자는 실리콘 (Si) 결합 구조 내에 갇혀 수소화(hydrogenate) 될 수 있다. In this process, some H atoms may be trapped in the silicon (Si) bond structure and be hydrogenated.
또한, 상술한 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘의 제조방법의 실행전에 챔버는 O2와 CF4로 600초동안 전력(radio-frequency power, WRF) 및 공정온도(TP) 200℃로 세척될 수 있다. In addition, before the implementation of the above-described method for producing transparent low-loss hydrogenated amorphous silicon in visible light, the chamber was washed with O 2 and CF 4 for 600 seconds at radio-frequency power (WRF) and process temperature ( TP ) 200°C. have.
상술한 유전체층(200)을 형성하는 S2 단계 이후에, 유전체층(200)을 복수개의 나노구조체(211)를 포함하는 메타표면으로 형성하는 단계(S3)가 더 제공될 수 있다.After the step S2 of forming the
구체적으로, S3 단계는 기판(100)에 유전체층(200)을 증착 후, 상기 유전체층(200)에 레지스트를 코팅하는 단계(S31); 상기 레지스트에 전자빔(electron-beam)을 조사하여 복수 개의 나노구조체(211)가 형성될 수 있는 패턴을 형성하는 단계(S32); 상기 레지스트에 크롬(Cr)층을 증착하고, 리프트오프(Lift off) 공정과 식각(Etching) 공정을 통해 상기 레지스트와 상기 크롬(Cr)층을 제거하여 상기 복수 개의 나노구조체(211)가 형성된 메타표면을 형성하는 단계(S33)가 실행될 수 있다. Specifically, step S3 includes depositing a
여기서, 메타표면은 빛보다 작은 크기의 구조물을 배열하여 만든 초박막 광학소자로서, 각각의 나노구조체(211)가 입사하는 빛의 위상을 조절할 수 있다(도 10 참조).Here, the metasurface is an ultra-thin optical device made by arranging structures having a size smaller than that of light, and can control the phase of light incident on each nanostructure 211 (see FIG. 10 ).
또한, 메타표면은 나노구조체(211)가 기하학적 형상을 갖고 메타물질로서 기능하는 것으로 이해될 수 있다. 또한, 메타물질은 자연계에는 존재하지 않는 전기적 요소와 자기적 요소가 모두 포함된 인공소재로서, 음의 굴절률을 가져서 음굴절을 구현하는 것으로 이해될 수 있다. 즉, 본 실시예에서 기판(100)과 유전체 층(200)은 전체적으로 메타물질로서 기능할 수 있다.In addition, the metasurface can be understood as the
레지스트는 2000rpm으로 60초 동안 스핀 코팅(spin-coated)하고, 플레이트상에서 5 분 동안 180℃에서 베이킹 될 수 있다. 또한, 유전체 기판(dielectric substrate)으로부터의 대전 효과(charging effects)를 방지하기 위해, 전자 빔 조사 단계 이전에 도전성 폴리머 (conductive polymer)를 2000rpm 으로 60초 동안 스핀-코팅할 수 있다. 이때, 전자빔 조사량은 약1280 ~ 1,600μC/cm2일 수 있다.The resist can be spin-coated at 2000 rpm for 60 seconds and baked at 180° C. for 5 minutes on the plate. In addition, in order to prevent charging effects from the dielectric substrate, a conductive polymer may be spin-coated at 2000 rpm for 60 seconds before the electron beam irradiation step. In this case, the electron beam irradiation amount may be about 1280 to 1,600 μC/
노출(exposure) 후, 전도성 폴리머 층을 탈 이온수(DI water)에서 제거하고, 레지스트를 메틸 이소부틸 케톤/이소프로필 알코올 (methyl isobutyl ketone/isopropyl alcohol, IPA) 1:3 용액 에서 0℃에서 12 분 동안 노출시키고, IPA로 30 초 동안 세정할 수 있다. After exposure, the conductive polymer layer was removed in DI water, and the resist was dissolved in a 1:3 solution of methyl isobutyl ketone/isopropyl alcohol (IPA) at 0°C for 12 min. exposed for 30 seconds and rinsed with IPA for 30 seconds.
그후, 전자빔 증착에 의해 크롬(Cr)을 증착 한 다음, 아세톤에서 약 10분 동안 리프트 오프(lift-off) 공정을 수행한다. 여기서, 패턴화된 크롬(Cr) 층은 실리콘을 위한 에칭 마스크로 사용되고, 에칭을 이용하여 크롬(Cr)이 없는 부분의 실리콘 층을 제거할 수 있다. 에칭 공정 후, 크롬(Cr) 에칭제에 의해 크롬(Cr) 마스크를 제거한다. 이와 같은 과정을 거쳐, 나노구조체(211)를 포함하는 메타표면이 형성될 수 있다. Thereafter, chromium (Cr) is deposited by electron beam deposition, and then a lift-off process is performed in acetone for about 10 minutes. Here, the patterned chromium (Cr) layer is used as an etching mask for silicon, and etching may be used to remove the silicon layer in a portion without chromium (Cr). After the etching process, the chromium (Cr) mask is removed with a chromium (Cr) etchant. Through this process, a metasurface including the
이하에서는 상술한 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘의 제조방법에 의해 제작된 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)에 대해 보다 자세히 설명한다. Hereinafter, the low loss hydrogenated amorphous silicon (1) transparent in visible light produced by the above-described method for producing low loss hydrogenated amorphous silicon transparent in visible light will be described in detail.
본 실시예의 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)은 초박막 렌즈, 초박막 홀로그램 저장기술 등 다양한 광학소자에 적용될 수 있다. The low-loss hydrogenated
가시광 메타표면이 다양한 이미지를 저장하는 홀로그램, 여러가지 색을 내는 홀로그램, 큰 지름을 가지는 색차보정 렌즈 등에 활용되기 위해서는 구조체는 높은 굴절률을 지니는 물질로 만들어져야 한다. 종래의 투명한 물질로 알려진 SiO2, SiN는 굴절률이 낮아 메타표면의 성능을 떨어뜨리며, 고굴절이면서도 투명한 TiO2, GaN는 높은 제작비용을 야기하여, 메타표면의 단가를 높이는 문제가 있었다. In order for the visible light metasurface to be used in a hologram that stores various images, a hologram that emits various colors, and a color difference correction lens with a large diameter, the structure must be made of a material having a high refractive index. SiO2 and SiN, known as conventional transparent materials, have a low refractive index, which lowers the performance of the metasurface, and high refractive and transparent TiO2 and GaN causes a high manufacturing cost, thereby increasing the cost of the metasurface.
본 실시예의 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)은 가시광에서 투명하면서도 플라즈마 강화 화학 기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)을 기반으로 대면적으로 제작이 가능한 장점이 있다. The low-loss hydrogenated
또한 높은 굴절률을 요구하면서도, 광손실이 적어야 하는 메타표면에 적용할경우, 기존 물질을 대체하여 생산비용을 획기적으로 낮출 수 있는 장점이 있다.In addition, when applied to a meta surface that requires a high refractive index and requires low light loss, it has the advantage of dramatically lowering production costs by replacing existing materials.
가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)은 450 nm 파장에서 64.7%, 532 nm에서 90.9%, 635 nm에서 96.6%의 빛을 조절할 수 있으며, 450 nm 파장에서 42%, 532 nm에서 65%, 635 nm에서 75%의 빛을 제어할 수 있다. Low-loss hydrogenated amorphous silicon (1), which is transparent in visible light, can control 64.7% of the light at 450 nm wavelength, 90.9% at 532 nm, and 96.6% at 635 nm, 42% at 450 nm wavelength, 65% at 532 nm, 635 It can control 75% of the light at nm.
또한, 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)은 각각 RGB를 대표하는 635, 532, 450 nm의 파장에서 소멸계수(extinction coefficient, k)가 각각 0.082, 0.017, 0.009로 제공될 수 있다. In addition, the low-loss hydrogenated
이를 메타표면에 적용시, 635, 532, 450 nm의 파장에서 75%, 65%, 42%의 측정 효율(measured efficiencies)을 얻을 수 있었다. 플라즈마 강화 화학 기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)을 이용하기 때문에 웨이퍼 크기(Wafer-scale)의 대면적 제작이 가능하며, 메타표면의 생산비용 및 초기 설계비용을 획기적으로 낮출 수 있다.When this was applied to the metasurface, measured efficiencies of 75%, 65%, and 42% were obtained at wavelengths of 635, 532, and 450 nm. Because plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) is used, wafer-scale large-area fabrication is possible, and the production cost and initial design cost of the metasurface can be dramatically reduced.
이와 같은 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)은 플라즈마 강화 화학 기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)을 조절하여, 수소화(hydrogenation) 및 실리콘의 구조(silicon disorder)를 제어함으로써 달성될 수 있다. Such low-loss hydrogenated
구체적으로, 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)의 광학적 특성은 인접한 Si 원자 사이의 평균 결합 길이와 Si의 무질서(disorder) 정도에 영향을 받는다. Specifically, the optical properties of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) are affected by the average bond length between adjacent Si atoms and the degree of disorder of Si.
a-Si:H의 결합 길이는 확산된 H 불순물이 Si 원자 사이의 약한 결합 수를 감소시키기 때문에 일반적인 a-Si보다 더 균일하다.The bond length of a-Si:H is more uniform than that of normal a-Si because the diffused H impurity reduces the number of weak bonds between Si atoms.
결과적으로, 상대적으로 균일한 결합 길이가 형성되고 밴드 갭이 이동(bandgap shift)하여 재료의 광학적 특성이 변경됩니다. H불순물의 분포는 실리콘 결합 구성에 주된 영향을 미치므로 플라즈마 강화 화학 기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)의 공정 조건을 조정하여 a-Si:H의 광학적 특성이 제어될 수 있다.As a result, a relatively uniform bond length is formed and the bandgap shifts, changing the optical properties of the material. Since the distribution of H impurity mainly affects the silicon bonding composition, the optical properties of a-Si:H can be controlled by adjusting the process conditions of plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD).
도 11은 타원측정법(ellipsometry)으로 측정한 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)의 복합굴절률(complex refractive index)를 나타내는 그래프이다.11 is a graph showing the complex refractive index of the low-loss hydrogenated amorphous silicon (1) transparent in visible light measured by ellipsometry.
TLD 모델(Triple Tauc-Lorentz Dispersion model)은 측정된 데이터와 거의 일치하며, 이는 측정의 신뢰성을 나타낼 수 있다. The TLD model (Triple Tauc-Lorentz Dispersion model) almost agrees with the measured data, which may indicate the reliability of the measurement.
도 11에서 Ψex 는 측정된 진폭비(measured amplitude ratio)를 나타내고, Ψmod 는 TLD 모델(Triple Tauc-Lorentz Dispersion model)에 의해 모델링된 진폭비를 나타낸다. In FIG. 11 , ψ ex denotes a measured amplitude ratio, and ψ mod denotes an amplitude ratio modeled by a Triple Tauc-Lorentz Dispersion model (TLD).
도 12는 플라즈마 강화 화학 기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)의 증착조건을 고려하여 얻을 수 있는 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)의 굴절률(n)과 소멸계수(extinction coefficient, k)의 조정가능한 범위(adjustable ranges)를 나타내는 그래프이다.12 shows the refractive index (n) and extinction coefficient (k) of low-loss hydrogenated amorphous silicon (1) transparent in visible light obtained by considering the deposition conditions of Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD). A graph showing the adjustable ranges of
구체적으로, 도 12의 (a)의 회색부분은 조정가능한 굴절률(n)을 나타내고, (b)의 회색부분은 조정가능한 소멸계수(extinction coefficient, k)를 나타낸다. Specifically, the gray part of FIG. 12 (a) represents the adjustable refractive index (n), and the gray part of (b) represents the adjustable extinction coefficient (k).
도 12를 참조하면, 빛의 파장 450 nm에서 조정가능한 굴절률(n)의 범위(Δn)는 1.6이고, 조정가능한 소멸계수(extinction coefficient, k)의 범위(Δk)는 0.4이고, 최소 소멸계수(extinction coefficient, k)는 0.082로 c-Si가 갖는 0.13 보다 낮다.12 , the range (Δn) of the adjustable refractive index (n) at a wavelength of light 450 nm is 1.6, the range (Δk) of the adjustable extinction coefficient (k) is 0.4, and the minimum extinction coefficient ( The extinction coefficient, k) is 0.082, which is lower than the 0.13 of c-Si.
본 출원인은 실리콘의 원자 결합 구조(atomic bonding structures)와 불순물(impuritie)을 분석하고, 높은 투명도(high transparency)는 c-Si 부분을 최소화하고 수소 농도를 최대화하는 것과 관련이 있음을 확인하였으며, 이는 상술한 최적의 공정온도(TP)와 공정압력(Pc)을 조절함으로써 달성될 수 있다. The applicant analyzed the atomic bonding structures and impurities of silicon and confirmed that high transparency was related to minimizing the c-Si portion and maximizing the hydrogen concentration, which It can be achieved by adjusting the above-described optimal process temperature ( TP ) and process pressure (Pc).
본 실시예의 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)에 450nm 파장을 갖는 빛을 투과시켰을 때 소멸계수(extinction coefficient, k)는 0.08 내지 0.09 (바람직하게는 0.082)로 제공되고, 532nm로 파장을 갖는 빛을 투과시켰을때 소멸계수(extinction coefficient, k)는 0.015 내지 0.02(바람직하게는 0.017)로 제공되고, 635nm 파장을 갖는 빛을 투과시켰을 때 소멸계수(extinction coefficient, k)는 0.005 내지 0.01(바람직하게는 0.009)으로 제공될 수 있다. When light having a wavelength of 450 nm is transmitted through the transparent low-loss hydrogenated
이는 종래의 TiO2 및 GaN와 같은 투명 물질을 대체하기에 충분히 낮다. This is low enough to replace conventional transparent materials such as TiO2 and GaN.
도 13은 공정온도(TP)에 따른 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)의 색상, 굴절률(n), 및 소멸계수(extinction coefficient, k)를 나타낸다.13 shows the color, refractive index (n), and extinction coefficient (k) of the low-loss hydrogenated amorphous silicon (1) transparent in visible light according to the process temperature ( TP ).
구체적으로, 도 13의 (a)는 공정온도(TP)에 따른 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)의 색상, (b)는 굴절률(n), (c)는 소멸계수(extinction coefficient, k)를 나타낸다. Specifically, (a) of FIG. 13 shows the color of the low-loss hydrogenated amorphous silicon (1) transparent in visible light according to the process temperature ( TP ), (b) is the refractive index (n), (c) is the extinction coefficient (extinction coefficient, k) is shown.
도 13의 (b)를 참조하면, 녹색 영역은 굴절률(n)이 4보다 큰 영역을 나타내고, 도 13의 (c)를 참조하면, 주황색 영역은 소멸계수(extinction coefficient, k)가 0.15 보다 작은 영역을 나타낸다. 또한, 파란색, 녹색, 빨간색은 각각 450nm,532nmnm, 635nm 파장을 갖는 빛을 나타낸다. Referring to (b) of FIG. 13 , a green region indicates a region having a refractive index n greater than 4, and referring to FIG. 13(c) , an orange region indicates an extinction coefficient (k) of less than 0.15. indicates the area. In addition, blue, green, and red represent light having wavelengths of 450 nm, 532 nm nm, and 635 nm, respectively.
도 14는 공정온도(TP)에 따른 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)의 색상, 굴절률(n), 및 소멸계수(extinction coefficient, k)를 나타낸다.14 shows the color, refractive index (n), and extinction coefficient (k) of the low-loss hydrogenated amorphous silicon (1) transparent in visible light according to the process temperature ( TP ).
구체적으로, 도 14의 (a)는 공정온도(TP)에 따른 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)의 색상, (b)는 굴절률(n), (c)는 소멸계수(extinction coefficient, k)를 나타낸다. Specifically, (a) of FIG. 14 is the color of the low-loss hydrogenated amorphous silicon (1) transparent in visible light according to the process temperature ( TP ), (b) is the refractive index (n), (c) is the extinction coefficient (extinction coefficient, k) is shown.
도 14의 (b)를 참조하면, 녹색 영역은 굴절률(n)이 3.5보다 큰 영역을 나타내고, 도 14의 (c)를 참조하면, 주황색 영역은 소멸계수(extinction coefficient, k)가 0.1 보다 작은 영역을 나타낸다. 또한, 파란색, 녹색, 빨간색은 각각 450nm,532nmnm, 635nm 파장을 갖는 빛을 나타낸다. Referring to (b) of FIG. 14 , a green region indicates a region having a refractive index n greater than 3.5, and referring to FIG. 14(c) , an orange region indicates an extinction coefficient (k) of less than 0.1. indicates the area. In addition, blue, green, and red represent light having wavelengths of 450 nm, 532 nm nm, and 635 nm, respectively.
이하에서는, 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)의 광학특성에 대해 보다 자세히 설명한다. Hereinafter, the optical properties of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) will be described in more detail.
고유 재료 특성인 굴절률(n)과 소멸계수(extinction coefficient, k)는 박막에서 반사된 빛의 편광 상태를 측정하여 타원측정법(ellipsometry)을 통해 얻을 수 있으며, 타원 측정 데이터의 복합 프레넬 매개 변수(complex Fresnel parameter ρ는 다음과 같이 표현될 수 있다.Refractive index (n) and extinction coefficient (k), which are intrinsic material properties, can be obtained through ellipsometry by measuring the polarization state of light reflected from a thin film, and the composite Fresnel parameter ( The complex Fresnel parameter ρ can be expressed as follows.
여기서 Ep와 Es는 각각 횡 방향 자기파(transverse magnetic)와 전자파(electric waves)의 복합 진폭(complex amplitudes)이고, Ψ는 진폭비(amplitude ratio)이고 Δ는 위상차(phase difference)이다.where Ep and Es are the complex amplitudes of transverse magnetic and electric waves, respectively, Ψ is the amplitude ratio, and Δ is the phase difference.
TLD 모델(Triple Tauc-Lorentz Dispersion model)은 제작된 a-Si: H 필름의 실험적으로 측정된 ρ를 설명하는데 활용된다. 유전율의 허수부는 Kramers-Kronig 를 이용하여 박막의 n과 k를 계산하기 위해 TLD 공식에서 구할 수 있다. 이 과정에서 피팅 오류를 줄이기 위해, TLD 모델(Triple Tauc-Lorentz Dispersion model)이 사용될 수 있다, The TLD model (Triple Tauc-Lorentz Dispersion model) is utilized to explain the experimentally measured ρ of the fabricated a-Si:H film. The imaginary part of the permittivity can be obtained from the TLD formula to calculate the n and k of the thin film using Kramers-Kronig. In order to reduce the fitting error in this process, a TLD model (Triple Tauc-Lorentz Dispersion model) can be used.
이하에서는, 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)의 특성에 대해 보다 자세히 설명한다. Hereinafter, the characteristics of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) will be described in more detail.
수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)을 포함하는 유전체층(200)의 굴절률(n)은 수소화 실리콘의 구조적 장애 정도(degree of structural disorder에 따라 결정될 수 있다. 이것은 각각 긴범위의 구조 순서(long-range structural order)와 국부 결합(local bonding)의 구성을 보여주는 X-선 회절 (XRD) 및 라만 분광법(Raman spectroscopy)에 의해 설명될 수 있다The refractive index n of the
광학적 특성과 구조적 장애 사이의 상관 관계를 밝히기 위해, 전력(radio-frequency power, WRF) 800W, 유량비(flow-rate ratio, γ) 7.5일때, 공정온도(TP)와 공정압력(Pc)이 선택될 수 있다In order to elucidate the correlation between optical properties and structural failure, when the radio-frequency power (WRF) is 800 W and the flow-rate ratio (γ) is 7.5, the process temperature ( TP ) and the process pressure (Pc) are selected. can be
도 15는 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)의 X-ray 회절(XRD)패턴을 나타내는 그래프이다.15 is a graph showing an X-ray diffraction (XRD) pattern of low-loss hydrogenated amorphous silicon (1) transparent in visible light.
구체적으로 도 15의 (a)는 공정온도(TP)가 25 mTorr일때 공정온도(TP)를 변경시킴에 따라 나타나는 XRD 패턴을 나타내고, 도 15의 (b)는 공정압력(Pc)이 200°C일때 공정압력(Pc)을 변경시킴에 따라 나타나는 XRD 패턴을 나타낸다. Specifically, Fig. 15 (a) shows the XRD pattern that appears as the process temperature ( TP ) is changed when the process temperature ( TP ) is 25 mTorr, and Fig. 15 (b) shows the process pressure (Pc) is 200 It shows the XRD pattern that appears as the process pressure (Pc) is changed at °C.
도 15를 참조하면, XRD 패턴은 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)이 공정온도(TP) 200 °C, 공정압력(Pc) 65mTorr 에서 증착된 비정질 실리콘을 제외하고는, 비정질 실리콘과 나노 결정 실리콘 상을 모두 포함하고 있음을 알 수 있다. 이들은 2θ= 22.5 °에서 비정질 상태(amorphous states)에 해당하는 넓은 회절 피크를 가지며, 각각 (111) 및 (222) 평면에 해당하는 27.5 ° 및 47 °에서 결정질 상태(crystalline states)를 가진다.Referring to FIG. 15 , the XRD pattern shows that low-loss hydrogenated amorphous silicon (1) transparent in visible light is deposited at a process temperature ( TP ) of 200 °C and a process pressure (Pc) of 65 mTorr, except for amorphous silicon, amorphous silicon and nano It can be seen that all of the crystalline silicon phase is included. They have broad diffraction peaks corresponding to the amorphous states at 2θ = 22.5 °, and crystalline states at 27.5 ° and 47 ° corresponding to the (111) and (222) planes, respectively.
동일한 공정압력(Pc) 25mTorr에서 공정온도(TP)를 변화시킴으로써, XRD 패턴은 유사하며 모든 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)은 동일한 결정 부분(crystalline portions)을 가질 수 있다.By varying the process temperature ( TP ) at the same process pressure (Pc) 25 mTorr, the XRD pattern is similar and the low loss hydrogenated
대조적으로, 결정도(crystallinity) 및 나노 결정 실리콘 (nc-Si)의 상대적인 부분은 공정온도(TP)가 변조될 때 변경된다.In contrast, the relative fraction of crystallinity and nanocrystalline silicon (nc-Si) changes when the process temperature ( TP ) is modulated.
공정압력(Pc)의 XRD 패턴은 공정압력(Pc) 45 mTorr 및 공정온도(TP) 200 ° C로 증착되었을 때, k가 가장 낮고 47 °에서 가장 날카 롭고 가장 강한 피크를 나타낸다.The XRD pattern of the process pressure (Pc) shows the sharpest and strongest peak at 47 ° with the lowest k when deposited at a process pressure (Pc) of 45 mTorr and a process temperature ( TP ) of 200 °C.
공정압력(Pc) 65 mTorr 일 때 결정 부분(crystalline portion )이 제거되고, 낮은 압력에서 증착된 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)보다 높은 소멸계수(extinction coefficient, k)를 나타낸다. When the process pressure (Pc) is 65 mTorr, the crystalline portion is removed and exhibits a higher extinction coefficient (k) than the low loss hydrogenated amorphous silicon (1) transparent in visible light deposited at a low pressure.
상술한 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1)은 가시광에서 투명한 고굴절 물질이 필요한 광학 부품(일반 볼록렌즈, 오목렌즈), 가시광에서 동작하는 메타표면 및 고굴절를 활용한 플렉서블 메타표면에 적용될 수 있다. The above-described low-loss hydrogenated amorphous silicon (1) transparent in visible light can be applied to optical components (general convex lenses, concave lenses) that require high refractive materials transparent in visible light, metasurfaces operating in visible light, and flexible metasurfaces utilizing high refractive index.
이상 본 발명의 실시예에 따른 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘(1) 및 이의 제조방법을 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시 형태들을 조합, 치환하여 적시되지 않은 실시 형태를 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.Above, the low loss hydrogenated amorphous silicon (1) transparent in visible light according to an embodiment of the present invention and a manufacturing method thereof have been described as specific embodiments, but this is merely an example and the present invention is not limited thereto, and the basic idea disclosed in the present specification should be construed as having the widest range according to A person skilled in the art may practice unspecified embodiments by combining and substituting the disclosed embodiments, but this also does not depart from the scope of the present invention. In addition, those skilled in the art can easily change or modify the disclosed embodiments based on the present specification, and it is clear that such changes or modifications also fall within the scope of the present invention.
1 : 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘
100 : 기판
200 : 유전체층
211 : 나노구조체1: Low loss hydrogenated amorphous silicon transparent in visible light
100: substrate
200: dielectric layer
211: nano structure
Claims (10)
수소(H2) 가스와 실라인(SiH4) 가스를 챔버에 투입하는 플라즈마 강화 화학 기상 증착법을 이용하여 상기 기판 상에 유전체층을 증착시키는 단계를 포함하고,
상기 플라즈마 강화 화학 기상 증착법이 실행되는 상기 챔버 내부의 공정온도는 170℃ 내지 180℃이고, 공정압력은 20 mTorr 내지 30 mTorr로 제공되는
가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘의 제조방법.providing a substrate;
depositing a dielectric layer on the substrate using a plasma enhanced chemical vapor deposition method in which hydrogen (H2) gas and silline (SiH4) gas are introduced into a chamber,
The process temperature inside the chamber at which the plasma enhanced chemical vapor deposition method is performed is 170° C. to 180° C., and the process pressure is 20 mTorr to 30 mTorr.
Method for producing low-loss hydrogenated amorphous silicon transparent in visible light.
상기 챔버 내부의 공정온도(TP)는 173℃ 내지 178℃ 이고, 공정압력(Pc)은 23 mTorr 내지 27 mTorr로 제공되는
가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘의 제조방법.The method of claim 1,
The process temperature ( TP ) inside the chamber is 173 °C to 178 °C, and the process pressure (Pc) is provided in a range of 23 mTorr to 27 mTorr.
Method for producing low-loss hydrogenated amorphous silicon transparent in visible light.
수소(H2) 가스와 실라인(SiH4) 가스를 챔버에 투입하는 플라즈마 강화 화학 기상 증착법을 이용하여 상기 기판 상에 유전체층을 증착시키는 단계를 포함하고,
상기 플라즈마 강화 화학 기상 증착법이 실행되는 상기 챔버 내부의 공정압력은 30 mTorr 내지 50 mTorr이고, 공정온도는 195℃ 내지 205℃로 제공되는
가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘의 제조방법.providing a substrate;
Depositing a dielectric layer on the substrate using a plasma-enhanced chemical vapor deposition method in which hydrogen (H 2 ) gas and silline (SiH 4 ) gas are introduced into a chamber,
The process pressure inside the chamber in which the plasma enhanced chemical vapor deposition method is performed is 30 mTorr to 50 mTorr, and the process temperature is provided at 195° C. to 205° C.
Method for producing low-loss hydrogenated amorphous silicon transparent in visible light.
상기 챔버 내부의 공정압력(Pc)은 35 mTorr 내지 45 mTorr이고, 공정온도(TP)는 200℃로 제공되는
가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘의 제조방법.The method of claim 1,
The process pressure (Pc) inside the chamber is 35 mTorr to 45 mTorr, and the process temperature ( TP ) is provided at 200 °C.
Method for producing low-loss hydrogenated amorphous silicon transparent in visible light.
상기 챔버에는 전력(radio-frequency power, WRF) 800 W가 제공되고,
유량비(flow-rate ratio, γ)는 7.5로 제공되는
가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘의 제조방법.The method of claim 1,
The chamber is provided with a power (radio-frequency power, W RF ) 800 W,
The flow-rate ratio (γ) is given as 7.5
A method for producing low-loss hydrogenated amorphous silicon transparent to visible light.
상기 챔버에는 전력(radio-frequency power, WRF)이 800 W로 제공되고,
유량비(flow-rate ratio, γ)는 7.5로 제공되는
가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘의 제조방법.5. The method of claim 4,
The chamber is provided with 800 W of power (radio-frequency power, W RF ),
The flow-rate ratio (γ) is given as 7.5
Method for producing low-loss hydrogenated amorphous silicon transparent in visible light.
수소(H2) 가스와 실라인(SiH4) 가스를 챔버에 투입하는 플라즈마 강화 화학 기상 증착법을 이용하여 상기 기판 상에 유전체층을 증착시키는 단계 이후에, 상기 유전체층을 복수 개의 나노구조체를 포함하는 메타표면으로 형성하는 단계를 더 포함하는
가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘의 제조방법.The method of claim 1,
After depositing a dielectric layer on the substrate using a plasma enhanced chemical vapor deposition method in which hydrogen (H 2 ) gas and silline (SiH 4 ) gas are introduced into the chamber, the dielectric layer is formed with a plurality of nanostructures. Further comprising the step of forming a surface
Method for producing low-loss hydrogenated amorphous silicon transparent in visible light.
상기 유전체층을 복수 개의 나노구조체를 포함하는 메타표면으로 형성하는 단계는,
상기 유전체층에 레지스트를 코팅하는 단계(S31);
상기 레지스트에 전자빔을 조사하여 복수 개의 나노구조체가 형성될 수 있는 패턴을 형성하는 단계(S32);
상기 레지스트에 크롬층을 증착하고, 리프트오프 공정과 식각 공정을 실행하여 상기 레지스트와 상기 크롬층을 제거하여 상기 복수 개의 나노구조체가 형성된 메타표면을 형성하는 단계(S33)를 포함하는
가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘의 제조방법.8. The method of claim 7,
The step of forming the dielectric layer as a metasurface including a plurality of nanostructures,
coating a resist on the dielectric layer (S31);
forming a pattern in which a plurality of nanostructures can be formed by irradiating the resist with an electron beam (S32);
Depositing a chromium layer on the resist, performing a lift-off process and an etching process to remove the resist and the chromium layer to form a metasurface on which the plurality of nanostructures are formed (S33)
Method for producing low-loss hydrogenated amorphous silicon transparent in visible light.
상기 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘에 450nm 파장을 갖는 빛을 투과 시켰을때 소멸계수는 0.08 내지 0.09로 제공되고, 532nm로 파장을 갖는 빛을 투과 시켰을때 소멸계수는 0.015 내지 0.02로 제공되고, 635nm 파장을 갖는 빛을 투과 시켰을때 소멸계수는 0.005 내지 0.01로 제공되는
가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘. In the low loss hydrogenated amorphous silicon transparent in visible light laminated with a substrate and hydrogenated amorphous silicon,
In the visible light, when light having a wavelength of 450 nm is transmitted through transparent low-loss hydrogenated amorphous silicon, the extinction coefficient is provided as 0.08 to 0.09, and when light having a wavelength of 532 nm is transmitted, the extinction coefficient is provided as 0.015 to 0.02, and a wavelength of 635 nm The extinction coefficient is 0.005 to 0.01 when light with
Low-loss hydrogenated amorphous silicon transparent to visible light.
상기 가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘에 450nm 파장을 갖는 빛을 투과시켰을 때, 조정가능한 굴절률의 범위는 1.6이고, 조정가능한 소멸계수의 범위는 0.4인
가시광에서 투명한 저손실 수소화 비정질 실리콘.
10. The method of claim 9,
When light having a wavelength of 450 nm is transmitted through the transparent low-loss hydrogenated amorphous silicon in the visible light, the range of tunable refractive index is 1.6, and the range of tunable extinction coefficient is 0.4
Low-loss hydrogenated amorphous silicon transparent to visible light.
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| US18/282,037 US20240084444A1 (en) | 2021-03-17 | 2022-01-13 | Method for preparing low-loss hydrogenated amorphous silicon that is transparent in visible light, method for preparing low-loss hydrogenated amorphous silicon nitride that is transparent in visible light, and method for preparing low-loss hydrogenated amorphous silicon oxide that is transparent in visible light |
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| KR20230109259A (en) * | 2022-01-13 | 2023-07-20 | 포항공과대학교 산학협력단 | Manufacturing method for Low-loss hydrogenated amorphous silicon transparent to visible light, Manufacturing method for Low-loss hydrogenated amorphous silicon oxide transparent to visible light, and Manufacturing method for Low-loss hydrogenated amorphous silicon nitride transparent to visible light |
Citations (1)
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| KR20200071586A (en) * | 2018-12-11 | 2020-06-19 | 포항공과대학교 산학협력단 | Metalens, manufacturing method thereof and optical device having the same |
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| [PHYS.ORG]* * |
| Adv. Mater. 2021. 33. 2005893* * |
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| KR20230109259A (en) * | 2022-01-13 | 2023-07-20 | 포항공과대학교 산학협력단 | Manufacturing method for Low-loss hydrogenated amorphous silicon transparent to visible light, Manufacturing method for Low-loss hydrogenated amorphous silicon oxide transparent to visible light, and Manufacturing method for Low-loss hydrogenated amorphous silicon nitride transparent to visible light |
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