KR20230003068A - 수소화 복합물 필름 및 광학 필터의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 출원은 수소화된 복합 필름 및 광학 필터의 제조 방법을 제공하며, 광학 필름 필터 기술 분야에 관한 것이다. 제조 방법은 불활성 가스 및 수소를 반응 챔버에 유입하고, 불활성 가스에 의해 형성된 플라즈마를 사용하여 반응 챔버 내의 적어도 2개의 재료 및 유입된 수소를 충격하여 적어도 2개의 재료가 기판 상에 스퍼터링되도록 하는 단계, 및 수소에 의해 생성된 수소 이온과 반응하여 수소화 복합물 필름층을 형성한다. 수소화 복합물 필름층은 2개 이상의 재료를 포함하고, 2개 이상의 재료는 스퍼터링 기술을 사용하여 동일한 기판 상에 코스퍼터링되어 요구되는 재료 성능을 획득함으로써 더 큰 굴절률을 갖는 수소화 복합물 필름층을 수득한다. 700nm 내지 1800nm의 파장에서 3.5 미만 및 0.005 미만의 흡광 계수; 수소화 복합물 필름은 광굴절률이 높고 흡광도가 낮고, 광이 큰 각도로 입사되는 경우 중심 파장의 각도 오프셋이 작아 수소화 복합물 필름으로 형성된 광학 필터가 더 나은 큰 각도 낮은 오프셋 효과.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2021년 4월 7일에 중국 특허청에 출원된 출원 번호가 202110375212.8이고 발명 명칭이 "수소화 복합물 필름 및 광학 필터의 제조 방법"인 중국 특허 출원의 우선권을 주장하며, 상기 출원의 전부 내용을 본 출원에 원용한다.
본 출원은 광학 필름 필터의 기술 분야에 관한 것으로, 특히 수소화 복합물(hydrogenated composite) 필름의 제조 방법 및 광학 필터에 관한 것이다.
3차원 근적외선 영상(이미지) 시스템 등과 같은 근적외선 영상 시스템에서의 협대역 밴드패스 필터에 있어서, 광선이 큰 각도로 입사되는 경우 각도의 오프셋에 의한 밴드패스 필터의 주심 파장을 최대한 작게 할 필요가 있다. 이를 통해, 넓은 시야각 범위 내에서의 신호 손실을 작게 하고 신호대 잡음비(signal-to-noise ratio)를 높임으로써 대각도 저오프셋의 효과를 형성할 수 있다.
상기의 기능 요구를 만족하는 협대역 밴드패스 필터는, 초고굴절률을 갖는 코팅 재료과 중, 저굴절률을 갖는 코팅 재료를 서로 중첩하여 코팅하는 방법을 사용하여 제조될 필요가 있다.
현재, 대각도, 저오프셋의 효과를 갖는 광학 필터의 제조에서 사용되는 고굴절률 재료는, 일반적으로 모두 수소화 실리콘 재료이다. 수소화 실리콘 재료의 제조는 주요하게 외국 특허의 보호를 받고 있다. 즉, 제품은 항상 외국 특허의 제한을 받고 있으므로 제품의 코스트가 높은 문제점이 발생하게 된다. 또한, 수소화 규소 재료의 오프셋 작용이 불충분하고 시야각도 크지 않으므로, 이러한 재료에 의해 제조된 광학 필터는 대각도, 저 오프셋의 효과에 한계가 있다.
본 출원의 실시예는 필름의 종합적인 성능을 향상시키고, 제품의 코스트를 절감할 수 있는 수소화 복합물 필름의 제조 방법 및 광학 필터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 불활성 가스 및 수소 가스를 반응 챔버 내에 유입하고, 불활성 가스에 의해 형성된 플라즈마를 이용하여 반응 챔버 내의 적어도 두개 종류의 재료와 유입된 수소 가스에 대하여 충격하는 것을 통해 적어도 2개의 재료를 기판 상에 스퍼터링하는 동시에 수소 가스에 의해 생성된 수소 이온과 반응시켜 수소화 복합물 필름층을 형성하는 단계를 포함하는 수소화 복합물 필름의 제조 방법을 제공한다.
선택적으로, 적어도 2개의 재료는 메인 재료 및 적어도 하나의 보조 재료를 포함하고, 메인 재료는 실리콘 또는 게르마늄을 포함하고; 보조 재료는 반도체 재료, 제4 주족 원소 및 전이 원소 중 적어도 하나를 포함하고, 메인 재료와 보조 재료는 서로 상이한 재료이다.
선택적으로, 메인 재료는 실리콘이고 보조 재료는 게르마늄이다. 또는, 메인 재료는 실리콘이고 보조 재료는 니오븀이다. 또는, 메인 재료는 실리콘이고 보조 재료는 티타늄이다.
선택적으로, 보조 재료의 원료 질량의 점유율은 전체 원료 질량의 20% 미만이다.
선택적으로, 불활성 가스 및 수소 가스를 반응 챔버 내에 유입하고, 불활성 가스에 의해 형성된 플라즈마를 이용하여 반응 챔버 내의 적어도 2개 종류의 재료와 유입된 수소 가스를 충격하는 것을 통해 상기 적어도 2개 종류의 재료를 기판 상에 스퍼터링시키고, 수소 가스에 의해 생성된 수소 이온과 반응시켜 수소화 복합물 필름층을 형성하는 단계는, 유입된 불활성 가스 및 수소 가스의 유량 및 스퍼터링 파라미터를 제어하는 것을 통해 700nm ~ 1800nm의 파장에서의 굴절률이 3.5보다 큰 굴절률 및 0.005보다 작은 흡광 계수를 갖는 수소화 복합물 필름층을 형성하는 단계를 포함한다.
선택적으로, 스퍼터링 파라미터는 스퍼터링 파워, 스퍼터링 전압, 스퍼터링 전류, 스퍼터링 시간 및 스퍼터링 온도를 포함한다.
선택적으로, 반응 챔버 내에는 하나 이상의 타겟 재료가 존재하고, 타겟 재료는 재료로부터 제작되거나, 하나의 타겟 재료는 하나의 재료만으로 제작될 수 있거나, 하나의 타겟 재료는 두개 이상의 재료로 제작될 수 있다.
선택적으로, 반응 챔버 내로 유입되는 불활성 가스의 유량은 800 표준 밀리리터/분 미만일 수 있다.
선택적으로, 반응 챔버 내로 유입되는 수소 가스의 유량은 400 표준 밀리리터/분(sccm) 미만일 수 있다.
선택적으로, 불활성 가스는 아르곤 가스일 수 있다.
또한, 본 출원은, 기재; 상기의 수소화 복합물 필름의 제조 방법을 이용하여 제조되고, 기재 상에 적층되는 수소화 복합물 필름층; 및 제1 필름층을 포함하고, 제1 필름층의 굴절률은 수소화 복합물 필름층의 굴절률보다 작은 광학 필터를 제공한다.
선택적으로, 기판에는 복수의 수소화 복합물 필름층 및 복수의 제1 필름층이 설치되고, 복수의 수소화 복합물 필름층과 복수의 제1 필름층은 교대로 설치된다.
선택적으로, 제1 필름층은 중저굴절률을 갖는 재료층일 수 있다.
선택적으로, 제1 필름층은 산화규소 또는 수산화규소로 구성될 수 있다.
이하, 본 출원의 실시예들에서의 기술안을 보다 명확하게 설명하기 위해, 본 출원의 실시예들에서 사용되는 도면에 대하여 간단하게 설명한다. 이하의 도면은 단지 본 출원의 내용의 일부만을 도시한 것이므로 보호범위를 한정하는 것으로 간주되어서는 안되며, 당업자는 창조적인 노동하에서 이러한 도면들로부터 기타 다른 관련되는 도면을 도출할 수도 있음을 이해해야 한다.
도 1은 본 실시예에 따른 수소화 복합물 필름의 제조 장치의 구성도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 부동한 수소 가스의 조건하에서의 파장과 굴절률의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 실시예에 따른 부동한 수소 가스의 조건하에서의 파장과 흡광 계수의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 실시예에 따른 단일 층의 수소화된 게르마늄 실리콘의 성능 파라미터를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 실시예에 따른 고굴절률 재료로서 수소화 게르마늄 실리콘을 사용하여 설계된 광학 필터의 그래프이다.
도 1은 본 실시예에 따른 수소화 복합물 필름의 제조 장치의 구성도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 부동한 수소 가스의 조건하에서의 파장과 굴절률의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 실시예에 따른 부동한 수소 가스의 조건하에서의 파장과 흡광 계수의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 실시예에 따른 단일 층의 수소화된 게르마늄 실리콘의 성능 파라미터를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 실시예에 따른 고굴절률 재료로서 수소화 게르마늄 실리콘을 사용하여 설계된 광학 필터의 그래프이다.
이하, 본 출원의 실시예에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 출원의 실시예의 기술안을 명확하고 완전하게 설명한다.
본 출원의 설명에 있어서, "내", "외" 등의 용어로 표시되는 방향 또는 위치 관계는 첨부 도면에 기초한 방향 또는 위치 관계이고, 또는 본 출원의 제품을 사용할 때 습관적으로 배치하는 방향 또는 위치 관계이며,이는 단지 본 출원을 설명하고 및 간략 설명을 위해 사용되는 것으로서, 가리키는 장치 또는 요소가 특정적인 방향을 가지고 특정적인 방향으로 구성 및 작동되어야 하는 것을 나타내거나 암시하는 것이 아니다. 따라서, 본 출원에 대한 한정으로 이해하여서는 안 된다. 또한, "제1", "제2" 등의 용어는 단지구분하여 설명하기 위한 것으로, 상대적인 중요성을 나타내거나 암시하는 것으로 이해하여서는 안 된다.
또 설명해야 할 것은, 달리 명확하게 규정 및 제한하지 않는 한 용어 "설치" 및 "연결"은 광의적으로 이해하여야 하며, 예를 들어 고정 연결될 수 있고, 탁찰 가능하게 연결될 수 있거나 일체적으로 연결될 수도 있다. 직접 연결될 수 있고, 중간 구조를 통해 간접적 연결될 수 있으며, 두개의 요소의 내부는 연통될 수도 있다. 당업자는 구체적인 상황에 따라 본 출원에서의 상기 용어들의 구체적인 의미를 이해할 수 있다.
대각도 및 저오프셋의 효과를 갖는 광학 필터는 널리 적용되고 있으며, 3D 이미징, 3D 모델링 등의 분야에 적용될 수 있다. 대각도 및 저오프셋의 효과를 갖는 광학 필터는 광선이 큰 각도로 입사되더라도 이의 중심 파장은 각도의 오프셋에 따라 가능한 작아야 한다. 이러한 경우, 넓은 시야각에서의 작은 신호 손실 및 높은 신호대 잡음비를 확보할 수 있다. 이러한 광학 필터의 필름은 주요하게 고굴절률을 갖는 수소화 규소 재료와 작은 굴절률을 갖는 재료를 서로 중첩하여 코팅하는 방법을 통해 제조될 수 있다.
현재, 수소화 실리콘 재료의 제조는 주로 외국 특허의 보호를 받고 있으므로, 종래 기술의 제한을 줄이기 위해 수소화 규소 재료를 대체할 수 있는 새로운 고굴절률 재료를 시급히 설계하는 것이 실정이다.
이의 기초상에서, 본 출원의 실시예는 수소화 복합물 필름의 제조 방법을 제공한다. 상기 수소화 복합물 필름의 제조 방법은, 700nm 내지 1800nm의 파장에서의 굴절률이 3.5보다 크고, 흡광 계수(extinction coefficient)가 0.005보다 작은 고굴절률 재료를 제조할 수 있고, 상기 고굴절률 재료와 저굴절률 재료를 유리 등과 같은 기재 상에 교대로 코팅하여 광학 간섭 필름 밴드 패스, 장파 패스, 단파 패스 등 광학 필터를 형성할 수 있다. 본 출원에 따른 제조 방법에 의해 제조되는 협대역 광학 필터는 야간 투시, 3D 이미징, 3D 모델링, 얼굴 인식, 홍채 인식, 제스처 인식 등 높은 각도 및 낮은 오프셋의 효과가 필요한 모든 광학 필터에 적용될 수 있다. 또한, 자동차의 자율 주행, 전기 변색 윈더우 유리 등 센서 시스템에도 사용될 수 있다.
구체적으로, 본 출원에 따른 실시예는 다음의 단계를 포함하는 수소화 복합물 필름의 제조 방법을 제공한다.
단계(S100): 불활성 가스(Q) 및 반응 가스인 수소 가스(H2)를 반응 챔버 내에 유입시키고, 불활성 가스(Q)에 의해 형성된 플라즈마를 이용하여 반응 챔버 내의 두개 종류 이상의 재료 및 유입된 수소 가스(H2)를 충격하는 것을 통해 두개 종류 이상의 재료를 기판(101) 상에 스퍼터링시키는 동시에 수소(H2)의 분리에 의해 생성된 수소 이온과 반응시켜 수소화 복합물 필름층을 형성할 수 있다.
불활성 가스(Q) 및 수소 가스(H2)를 반응 챔버 내로 유입시키고, 불활성 가스(Q)는 플라즈마를 형성하고, 불활성 가스(Q)는 아르곤 가스(Ar)일 수 있다. 수소 가스(H2)는 반응 가스로 작용하고, 불활성 가스(Q)에 의해 형성된 플라즈마는 적어도 2개 이상의 재료와 수소 가스(H2)를 충격하는 것을 통해 적어도 2개 이상의 재료가 원자 클러스터를 형성하는 동시에 기판(101) 상에 스퍼터링된다. 동시에, 수소 가스(H2)가 충격에 의해 생성된 수소 이온은 스퍼터링된 적어도 두개 종류 이상의 재료와 반응함으로써 기판(101) 상에 수소화된 복합물 필름층을 형성할 수 있다.
예시적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 반응 챔버 내에는 타겟 재료(A)와 타겟 재료(B)가 존재한다. 타겟 재료(A)와 타겟 재료(B)는 상기의 두개 종류의 재료일 수 있고, 두개 종류의 재료에 의해 제조된 동일한 타겟 재료(A) 또는 타겟 재료(B)일 수도 있다. 즉, 두개 종류의 재료는 각각 타겟 재료(A)와 타겟 재료(B) 상에 설치될 수 있으며, 두개 종류의 재료는 동시에 타겟 재료(A)에 설치되거나 동시에 타겟 재료(B) 상에 설치될 수도 있다.
필요한 재료를 타겟 재료로 제작하고, 하나의 타겟 재료는 한개 종류의 재료만에 의해 제작되거나, 하나의 타겟 재료는 두개 종류 이상의 재료에 의해 제작될 수 있으며, 이는 실제 수요에 따라 구체적으로 설정될 수 있다.
상기 공정은 반응성 스퍼터링 공정일 수 있다. 반응성 스퍼터링은, 반응 가스가 존재하는 정황하에서 재료를 스퍼터링하는 경우 재료가 반응 가스와 반응하여 화합물을 형성하는 것을 의미한다.
본 출원에서의 반응 가스는 수소 가스(H2)일 수 있다. 수소 가스(H2)는 스퍼터링 과정에서 유입되고, 재료와 수소 가스(H2)가 반응하여 기판(101) 상에 수소화 복합물 필름층을 형성하며, 여기서, 수소 가스(H2)는 활성화 작용을 일으킨다.
스퍼터링을 실시할 때, 코팅 챔버 내는 소정의 진공도에 도달할 필요가 있으며, 스퍼터링 소스를 가동시켜 수소 가스(H2)를 주입하며, 수소 가스(H2)를 이용하여 기판(101) 상에 스퍼터링된 재료에 대해 수소화 처리를 진행하는 것을 통해 수소화 복합물 필름층을 얻을 수 있다.
본 출원의 실시예에 따른 수소화 복합물 필름의 제조 방법에 있어서, 불활성 가스(Q)와 수소 가스(H2)를 반응 챔버 내에 유입하고, 불활성 가스(Q)는 플라즈마를 형성하고, 수소 가스(H2)는 반응 가스로 작용하며, 불활성 가스(Q)에 의해 형성된 플라즈마는 적어도 두개 종류의 재료와 수소 가스(H2)를 충격함으로써 적어도 두개 종류의 재료가 원자 클러스터를 형성하는 동시에 기판(101) 상에 스퍼터링되며, 이와 동시에 수소 가스(H2)를 충격함으로써 수소 이온을 생성하며, 해당 수소 이온을 기판(101) 상에 충격하여 스퍼터링된 적어도 두개 종류의 재료와 반응시키는 것을 통해 기판(101) 상에 수소화 복합물 필름층을 형성한다. 상기 방법을 통해 획득한 수소화 복합물 필름층은, 적어도 두개 종류의 재료를 포함하고 있다. 그리고, 스퍼터링 방법을 이용하여 적어도 두개 종류의 재료를 모두 동일한 기판(101) 상에 코스퍼터링(코스퍼터링)시킴으로써 요구하는 재료 성능을 얻을 수 있다. 스퍼터링 파라미터 및 유입되는 수소 가스(H2)의 유량을 조절함으로써, 700nm 내지 1800nm 파장에서의 굴절률이 3.5보다 크고 흡광 계수가 0.005보다 작은 수소화 복합물 필름층을 얻을 수 있다. 단일의 실리콘만으로 제조된 기존의 수소화 실리콘 재료에 비하여, 본 출원에 따른 제조 방법에 의해 제조된 수소화 복합물 필름은 광굴절률이 더 높고 광흡수율이 낮은 이점을 가지며, 빛이 큰 각도로 입사되는 경우 각도에 의한 중심 파장의 오프셋이 작기 때문에, 상기 제조 방법에 의해 제조된 광학 필터는 대(大)각도, 저(低)오프셋의 효과가 더욱 양호할 수 있다. 한편, 기존의 수소화 규소 재료가 외국 특허의 제한을 받는 현상을 극복하고, 고굴절률 재료를 보다 광범하게 적용할 수 있고, 제품 코스트를 저감시킬 수 있다.
적어도 두개 종류의 재료는 메인 재료 및 적어도 하나의 보조 재료를 포함한다. 메인 재료는 실리콘 또는 게르마늄을 포함하고; 보조 재료는 반도체 재료, 제4 주족 원소 및 전이 원소 중 적어도 하나를 포함한다. 메인 재료와 보조 재료는 서로 다른 재료일 수 있고, 보조 재료의 원료 질량은 전체 원료 질량의 20% 미만을 차지할 수 있다.
반응 챔버 내에서, 메인 재료과 적어도 하나의 보조 재료을 동시에 기판(101) 상에 스퍼터링하고, 반응 챔버 내를 향해 수소 가스(H2)를 유입하여 기판(101) 상에 수소화 복합물 필름층을 형성한다.
메인 재료는 실리콘 또는 게르마늄을 포함한다. 보조 재료는 반도체 재료, 제4 주족 원소, 전이 원소 중 적어도 하나를 포함하고, 보조 재료의 원료 질량은 전체 원료 질량의 20% 미만을 차지할 수 있다.
기판(101) 상에 스퍼터링하는 경우, 한개 종류의 메인 재료와 적어도 하나 종류의 보조 재료를 스퍼터링하여야 한다. 보조 재료의 원료 질량은 전체 원료 질량의 20% 미만을 차지할 수 있다. 즉, 메인 재료의 원료 질량이 전체 원료 질량의 80% 이상을 차지할 수 있다.
또한, 여기서 말하는 질량비는 기판(101) 상에 스퍼터링하여 수소화 복합물 필름층을 형성한 후의 질량비를 가리키는 것이 아니라, 스퍼터링하기 전의 원료의 질량비를 의미한다.
스퍼터링의 주요 재료로서의 메인 재료는 실리콘(규소) 또는 게르마늄을 포함할 수 있으며, 실리콘은 게르마늄에 비해 재료 비용이 저렴하므로 실리콘을 메인 재료로 널리 적용되고 있다.
보조 재료는 적어도 하나 이상의 종류의 재료를 포함할 수 있다. 즉, 메인 재료와 보조 재료의 조합은 한개 종류의 메인 재료와 한개 종류의 보조 재료의 조합, 또는 한개 종류의 메인 재료와 두개 종류의 보조 재료의 조합, 또는 한개 종류의 메인 재료와 3개 종류의 보조 재료의 조합 등일 수 있다.
보조 재료는 반도체 재료, 제4 주족 원소 및 전이 원소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 즉, 보조 재료의 종류에 관계없이, 보조 재료는 모두 반도체 재료, 제4 주족 원소 및 전이 원소로 구성될 수 있다. 여기서, 제4 주족 원소 또는 전이 원소는 화학 원소 주기표에서의 제4 주족 원소 또는 전이 원소를 의미한다.
또한, 메인 재료와 보조 재료는 서로 다른 재료일 수 있다. 메인 재료가 실리콘일 경우 보조 재료는 실리콘이여서는 않되고, 메인 재료가 게르마늄일 경우 보조 재료는 게르마늄이여서는 안 된다. 이로 인해, 두개 종류의 서로 다른 재료가 동시에 스퍼터링 가능하도록 확보할 수 있다.
예시적으로, 본 출원의 제1 실시예에서, 메인 재료는 실리콘이고 보조 재료는 제4 주족 원소 중의 게르마늄일 수 있다. 실리콘과 게르마늄을 코스퍼터링하는 동시에 수소 가스(H2)와 반응시키는 것을 통해 기판(101) 상의 수소화된 게르마늄-실리콘 필름층을 형성할 수 있다.
본 출원의 제2 실시예에서, 메인 재료는 실리콘이고 보조 재료는 전이 원소 중의 니오븀일 수 있다. 리콘과 니오븀을 코스퍼터링하는 동시에 수소 가스(H2)와 반응시키는 것을 통해 기판(101) 상에 수소화된 니오븀 실리콘 필름층을 형성할 수 있다.
본 출원의 제3 실시예에서, 메인 재료는 실리콘이고 상기 보조 재료는 전이 원소 중의 티타늄일 수 있다. 실리콘과 티타늄을 코스퍼터링하는 동시에 수소 가스(H2)와 반응시키는 것을 통해 기판(101) 상에 수소화된 티타늄-실리콘 필름층을 형성할 수 있다.
물론, 본 출원은 상술한 3개의 실시예에 한정되지 않으며, 메인 재료와 적어도 하나 종류의 보조 재료가 코스퍼터링 가능한 조건에 부합되는 동시에 수소 가스(H2)와 반응할 수 있다면, 기판(101) 상에 수소화 복합물 필름층을 형성할 수 있다.
상기 제조 방법에 의한 제조 공정에서, 메인 재료 및 보조 재료의 성분 배합 비율을 조절하고, 메인 재료 및 보조 재료를 수소 가스(H2)와 반응시키는 동시에 제조 파라미터를 제어함으로써, 스퍼터링의 방식을 이용하여 700nm 내지 1800nm에서의 굴절률 3.5보다 크고 흡광 계수가 0.005보다 작은 수소화 복합물 필름층을 얻을 수 있다. 해당 수소화 복합물 필름층은 적어도 두개 종류의 스퍼터링 재료(메인 재료 및 적어도 한개 종류의 보조 재료)에 의해 제조될 수 있으므로, 기존의 단일 실리콘으로 제조되는 수소화된 실리콘 재료에 비하여 보다 우수한 성능을 가질 수 있다. 예를 들어, 기존의 수소화된 실리콘 재료는 800nm 내지 1100nm의 파장 범위 내에서의 굴절률이 모두 3보다 크고 흡광 계수가 모두 0.0005보다 작지만, 본 출원에 의해 제조된 수소화 복합물 필름은 동일한 파장에서의 광굴절률이 더 높으며 흡광 계수가 더 낮으며, 빛이 큰 각도로 입사되는 경우 각도에 따른 중심 파장의 오프셋이 작기 때문에, 수소화 복합물 필름에 의해 제조된 광학 필터가 더 우수한 대각도, 저오프셋의 효과를 가질 수 있다.
또한, 상술한 단계(S100)는 구체적으로 다음의 단계는,
플라즈마를 이용하여 반응 챔버 내의 적어도 두개 종류의 재료와 유입된 수소 가스(H2)를 충격하는 것을 통해 적어도 두개 종류의 재료를 기판(101) 상에 스퍼터링시키는 동시에 수소 가스(H2)에 의해 생성된 수소 이온과 반응시킴으로써 수소화 복합물 필름층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
반응 챔버 내에 불활성 가스(Q)를 유입하여 플라즈마를 형성하고, 불활성 가스(Q)는 아르곤 가스(Ar) 등을 포함할 수 있다.
소정의 굴절률 및 소정의 흡광 계수를 갖는 필름층을 형성하기 위해, 스퍼터링 파라미터, 및 불활성 가스(Q)와 수소 가스(H2)의 유입 유량을 제어할 필요가 있다. 이를 통해, 700nm 내지 1800nm의 파장에서의 굴절률이 3.5보다 크고, 흡광 계수가 0.005보다 작은 수소화 복합물 필름층을 형성할 수 있다. 여기서, 스퍼터링 파라미터는 스퍼터링 파워, 스퍼터링 시간 및 스퍼터링 온도를 포함할 수 있다.
예시적으로, 반응 챔버 내로 유입되는 불활성 가스(Q)의 유량은 800 표준 밀리리터/분 미만이고, 즉 800sccm보다 작을 수 있다. 유입되는 불활성 가스(Q)의 유량을 조절함으로써, 미리 설정된 굴절률 및 흡광 계수를 가지는 수소화 복합물 필름층을 얻을 수 있다.
반응 챔버 내에 유입되는 수소 가스(H2)의 유량은 400 표준 밀리리터/분 미만이며, 유입되는 수소 가스(H2)의 유량을 조절함으로써 미리 설정된 굴절률과 흡광 계수를 가지는 수소화 복합물 필름층을 형성할 수 있다.
구체적인 제조 과정에서, 유입되는 불활성 가스(Q)의 유량, 수소 가스(H2)의 유량 및 스퍼터링 파라미터는 모두 제어되어야 하며, 스퍼터링 파라미터는 스퍼터링 전력, 스퍼터링 전압, 스퍼터링 전류, 스퍼터링 시간 및 스퍼터링 온도 등을 포함할 수 있다. 상기 스퍼터링 파라미터를 제어함으로써, 미리 설정된 굴절률 및 흡광 계수를 가지는 수소화 복합물 필름층을 얻을 수 있다. 본 출원에서, 상기 파라미터를 조절함으로써 상기 수소화 복합물 필름층의 700nm 내지 1800nm의 파장에서 굴절률이 3.5보다 크고 흡광 계수가 0.005보다 작을 수 있다.
본 출원의 실시예는, 기판(101); 상기 실시예에 따른 수소화 복합물 필름의 제조 방법을 사용하여 제조되고, 상기 기판(110) 상에 적층되는 수소화 복합물 필름층; 및 굴절률이 상기 수소화 복합물 필름층의 굴절률보다 낮은 제1 필름층; 을 포함하는 광학 필터를 더 제공할 수 있다.
상기 실시예에서 제조된 수소화 복합물 필름층은 700nm 내지 1800nm의 파장에서의 굴절률이 3.5보다 크고 흡광계수가 0.005보다 작으며, 굴절률이 높고 흡수율이 낮은 필름에 속한다. 또한, 상기 수소화 복합물 필름층 상에 굴절률이 상기 수소화 복합물 필름층의 굴절률보다 낮은 제1 필름층을 더 적층하는 것을 통해 상기 기판(101) 상에 고굴절률과 저굴절률을 갖는 필름층이 교대로 코팅됨으로써 광학 간섭 필름 밴드 패스, 장파 패스, 단파 패스 등 광학 필터를 형성할 수 있다.
제1 필름층은 산화규소, 수산화규소 등과 같은 중(中)저(低)굴절률을 갖는 재료층일 수 있다.
본 출원에 따른 제조 방법에 의해 제조되는 협대역 광학 필터는 야간 투시, 3D 이미징, 3D 모델링, 얼굴 인식, 홍채 인식, 제스처 인식 등과 같은 대각도, 저오프셋의 효과가 필요한 모든 광학 필터에 적용될 수 있다. 또한, 자동차 자동 운전, 전기 변색 윈더우 유리 등의 센서 시스템에도 사용될 수 있다.
코팅의 방식을 이용하여, 기재(101) 상에 수소화 복합물 필름층 및 제1필름층을 형성할 수 있다, 상기 기재(101) 상에는 단일 층의 수소화 복합물 필름층이 코팅될 수 있으며, 또는 수소화 복합물 필름층과 제1필름층이 조합되어 코팅될 수도 있다. 예를 들어, 기판(101) 상에는 한 층의 수소화 복합물 필름층과 한 층의 제1 필름층이 코팅될 수 있고, 또는 교대로 배열된 복수 층의 수소화 복합물 필름층과 복수 층의 제1 필름층이 코팅될 수도 있다. 물론, 복수 층으로 코팅되는 경우, 기재(101) 상에는 먼저 하나의 수소화 복합물 필름층을 코팅한 후, 제1 필름층 및 수소화 복합물 필름층을 다시 교대로 코팅할 수 있으며, 또는 먼저 하나의 제1 필름층을 코팅한 후 다시 하나의 수소화 복합물 필름층을 코팅하며, 그 다음 순서대로 제1 필름층과 수소화 복합물 필름층을 교대로 코팅할 수 있다.
예시적으로, 상기 수소화 복합물 필름층과 상기 제1필름층의 총 두께는 8um보다 작을 수 있다. 이러한 얇은 두께로 인해, 적은 수량의 층들이 기판(101) 상에 적층될 수 있게 되므로, 본 출원은 작은 두께 및 더 적은 층으로 종래 기술과 동일하거나 심지어 더 우수한 효과를 달성할 수 있다. 본 출원에서, 광학 필터의 성능을 향상시키기 위해 광학 필터는 적은 수량의 층, 작은 총 두께 및 작은 각도 오프셋을 가질 수 있다. 물론, 수소화 복합물 필름층과 제1 필름층의 총 두께는 구체적인 필요에 따라 설정될 수 있지만, 본 출원의 실시예에서는 이에 대해 특별히 한정하지 않는다.
따라서, 본 출원은 스퍼터링 코팅 원리를 이용하여 불활성 가스(Q)의 작용하에서 메인 재료와 보조 재료를 조성 비율에 따라 코스퍼터링하는 동시에 수소 가스(H2)와 반응시킴으로써 수소화 복합물 필름을 성장시킬 수 있다. 이를 통해, 성장된 수소화 복합물 필름층은 비교적 높은 굴절률과 더 낮은 흡광 계수를 가질 수 있다.
이렇게 얻은 수소화 복합물 필름층은, 700nm 내지 1800nm의 파장에서의 굴절률이 3.5보다 크고, 흡광 계수가 0.005보다 작을 수 있다. 상기 수소화 복합물 필름층을 고굴절률 재료로 하고 산화규소, 수산화규소 등과 같은 저굴절률 재료와 함께 유리 등의 기재 상에 교대로 코팅함으로써 광 간섭 필름 밴드 패스, 장파 패스, 단파 패스 등 광학 필터를 형성할 수 있으므로, 대각도, 저오프셋의 효과가 필요하는 광학 필터에 적용될 수 있다.
이하, 기판(101) 상에 실리콘 및 게르마늄을 스퍼터링하는 것을 일예로 하여 상기의 제조 방법 및 얻은 광학 필터를 구체적으로 설명한다.
본 출원은, 코스퍼터링 코팅 원리를 통해 아르곤 가스와 같은 불활성 가스(Q)의 작용하에서 실리콘 타겟과 게르마늄 타겟을 조성 비율에 따라 코스퍼터링하는 동시에 수소 가스(H2)와 반응시킴으로써, 수소화 게르마늄 실리콘을 성장시킬 수 있다. 이러한 방법으로 성장된 수소화 게르마늄-실리콘 필름은 높은 굴절률과 낮은 흡광 계수를 가질 수 있다.
구체적으로, 진공 스퍼터링 코팅 기기 내에서, 아르곤 가스와 같은 불활성 가스(Q)에 의해 생성된 플라즈마를 이용하여 단결정 또는 다결정 형태의 반도체 실리콘 재료와 게르마늄 재료를 충격시킴으로써, 실리콘 재료와 게르마늄을 나노미터 레벨로 유리 기판(101) 상에 스퍼터링시키고, 그리고 소정 비율의 수소 가스(H2)와 게르마늄-실리콘 혼합 재료를 반응시켜 수소화 처리를 진행하며, 최종적으로 수소화된 게르마늄-실리콘 필름을 형성할 수 있다.
고굴절률을 갖는 필름을 제조하는 경우, 먼저 실리콘 재료와 게르마늄 재료의 조성 비율을 조절하고, 일반적으로 전력, 전압, 전류 등과 같은 관련 파라미터를 조절하며, 이와 동시에 충진된 불활성 가스(Q; 아르곤 가스 등)의 유량을 제어하고, 그 다음 반응 가스인 수소 가스(H2)의 유량을 제어하는 것을 통해 700nm ~ 1800nm의 파장에서의 굴절률이 3.5보다 크고 흡광 계수가 0.005보다 작은 필름층을 제조할 수 있다.
부동한 수소 가스(H2) 조건하에서의 파장과 굴절률 사이의 관계는 도 2에 도시하였으며, 부동한 수소 가스(H2) 조건하에서의 파장과 흡광 계수의 관계는 도 2에 도시하였다.
수소화 게르마늄 실리콘은 도 4에 도시된 바와 같이, 최적의 경우 940nm 파장에서의 굴절률(n)이 3.69보다 크고 흡광 계수(k)가 0.00006보다 작았다.
특별히 설명해야 할 점은, 반응 소스인 실리콘 재료와 게르마늄 재료의 조성 비율(게르마늄 성분의 비율을 20% 이내로 제어함.), 불활성 가스(Q)의 유량(예를 들어, 아르곤 가스이고, 이의 총 유량을 일반적으로 800sccm 이내로 제어함.), 수소 가스(H2)의 유량(수소 가스(H2)의 총 유량을 일반적으로 400sccm 이내로 조절함.)은 중요한 파라미터이다. 고굴절률과 작은 흡광 계수를 갖는 필름을 얻으려면, 스퍼터링 속도, 스퍼터링 온도 등과 같은 파라미터를 협력하여 조절해야 하며, 서로 다른 기기에서의 파라미터의 구체적인 값은 약간의 차이가 존재할 수 있다.
최적의 조건하에서의 수소화 게르마늄 실리콘의 상응한 공정 파라미터를 기준으로, 실리콘과 저굴절률의 산화막을 결합하여 복수 층의 적층 구조(예를 들어, 수소화 게르마늄 실리콘 + 실리콘 산화물 + 수소화 게르마늄 실리콘 + 실리콘 산화물 + ??)를 형성하고, 중심 파장이 940nm이고 대각도, 저오프셋을 갖는 밴드패스 광학 필터를 설계하고 제조할 수 있다. 도 5는 제작된 940nm의 밴드패스 광학 필터를 0°/31°의 입사각에서 실제로 측정한 그래프로서, 0° 및 31°의 중심 파장에서의 오프셋이 11nm보다 작으며, 최고 투과율이 97%보다 큰 것으로 나타났다.
상기 내용을 요약하면, 본 출원의 실시예는 스퍼터링 기술을 통해 적어도 두개 종류의 재료(메인 재료 및 보조 재료)를 동일한 기판(101) 상에 코스퍼터링시키는 것을 통해 원하는 재료 성능을 얻을 수 있다. 코팅 공정의 파라미터를 조절함으로써, 700nm 내지 1800nm의 파장에서의 굴절률(n)이 3.5보다 크고 흡광 계수(k)가 0.005보다 작은 일련의 수소화 복합물 필름층을 얻을 수 있다. 예를 들어, 실리콘 및 게르마늄을 통해 수소화된 실리콘-게르마늄 필름층을 제조할 수 있다.
필름 시스템의 설계 측면에서, 고굴절률을 갖는 수소화 게르마늄-실리콘 필름과 이의 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는 재료(예를 들어, 산화규소, 수산화규소 등과 같은 중, 저굴절률을 갖는 필름)를 사용하여 복수 층의 중첩 구조를 형성하는 것을 통하여, 대각도로 입사될 때 중심 파장의 오프셋이 작은 밴드패스 광학 필터를 제조할 수 있다. 필름층 구조는, 예를 들어 수소화 게르마늄 실리콘 + 산화규소/수산화규소 + 수소화 게르마늄 실리콘 + 산화규소/수산화규소 + ??의 교대 구조일 수 있다. 본 출원에 의해 제조된 수소화 게르마늄-실리콘 필름은 조성 비율을 통하여 실현될 수 있다. 여기서, 보조 재료인 게르마늄 성분의 비율을 20% 이내로 제어한다. 상기 조성 비율에 따라 제조된 게르마늄-실리콘 혼합 재료도 수소 가스(H2)와 함께 스퍼터링의 방식을 통해 고굴절률을 갖는 수소화 게르마늄-실리콘 필름을 실현할 수 있다. 본 출원은, 코스퍼터링 코팅 기술을 통해 고굴절률을 갖는 수소화 게르마늄-실리콘 필름을 코팅하여 제조할 수 있으므로, 수소화 실리콘 재료를 대체할 수 있을 뿐만 아니라, 복수 층 필름의 투과율을 향상시킬 수 있으며, 또한 설계된 광학 필터는 적은 층의 수량과 총 두께 및 작은 각도 오프셋을 가질 수 있다.
상기의 설명은 단지 본 출원의 실시예들인 것으로, 본 출원의 보호 범위를 한정하기 위한 것이 아니며, 당업자라면 본 출원에 대해 다양한 수정 및 변경을 진행할 수 있다. 본 출원의 사상과 원칙 내에서 이루어진 모든 수정, 동등한 대체 또는 개선 등은 모두 본 출원의 보호 범위에 속한다.
본 출원의 실시예에 따른 수소화 복합물 필름의 성능은, 기존의 단일의 실리콘만으로 제조된 수소화 실리콘 재료에 비하여 이점을 가진다. 본 출원에 의해 제조된 수소화 복합물 필름은 광선에 대한 굴절률이 높고 흡광 계수가 보다 작으며, 광선이 큰 각도로 입사되는 경우 중심 파장의 각도에 따른 오프셋이 작기 때문에 수소화 복합물 필름에 의해 제조된 광학 필터는 더 우수한 대각도, 저오프셋의 효과를 가질 수 있다. 한편, 기존의 수소화 규소 재료가 외국 특허의 제한을 받고 있는 문제점을 극복하고, 고굴절률의 재료를 보다 광범하게 적용시킬 수 있으며, 제품 코스트를 저감시킬 수 있다.
101-기판; A, B-타겟 재료; Q-불활성 가스; H2-수소 가스
Claims (14)
- 수소화 복합물 필름의 제조 방법으로서,
불활성 가스 및 수소 가스를 반응 챔버에 유입시키고, 상기 불활성 가스에 의해 형성된 플라즈마를 이용하여 상기 반응 챔버 내의 적어도 두개 종류의 재료와 유입된 상기 수소 가스를 충격하는 것을 통해, 상기 적어도 두개 종류의 재료를 기판 상에 스퍼터링시키는 동시에 상기 수소 가스에 의해 생성된 수소 이온과 반응시킴으로써 수소화 복합물 필름층을 형성하는 단계를 포함하는
것을 특징으로 하는 수소화 복합물 필름의 제조 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 적어도 두개 종류의 재료는 메인 재료 및 적어도 한개 종류의 보조 재료를 포함하고,
상기 메인 재료는 실리콘 또는 게르마늄을 포함하고,
상기 보조 재료는 반도체 재료, 제4 주족 원소 및 전이 원소 중 적어도 하나를 포함하며,
상기 메인 재료와 상기 보조 재료는 상이한 재료인
것을 특징으로 하는 수소화 복합물 필름의 제조 방법. - 제2 항에 있어서,
상기 메인 재료는 실리콘이고, 상기 보조 재료는 게르마늄이며; 또는
상기 메인 재료는 실리콘이고, 상기 보조 재료는 니오븀이며; 또는
상기 메인 재료는 실리콘이고, 상기 보조 재료는 티타늄인
것을 특징으로 하는 수소화 복합물 필름의 제조 방법. - 제3 항에 있어서,
상기 보조 재료의 원료 질량은 전체 원료 질량의 20%보다 작은
것을 특징으로 하는 수소화 복합물 필름의 제조 방법. - 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
불활성 가스 및 수소 가스를 반응 챔버에 유입시키고, 상기 불활성 가스에 의해 형성된 플라즈마를 이용하여 상기 반응 챔버 내의 적어도 두개 종류의 재료와 유입된 상기 수소 가스를 충격하는 것을 통해, 상기 적어도 두개 종류의 재료를 기판 상에 스퍼터링시키는 동시에 상기 수소 가스에 의해 생성된 수소 이온과 반응시킴으로써 수소화 복합물 필름층을 형성하는 단계는,
스퍼터링의 파라미터, 유입된 상기 불활성 가스 및 수소 가스의 유량을 제어하여 700nm 내지 1800nm의 파장에서의 굴절률이 3.5보다 크고 흡광 계수가 0.005보다 작은 수소화 복합물 필름층을 형성하는 단계를 포함하는
것을 특징으로 하는 수소화 복합물 필름의 제조 방법. - 제5 항에 있어서,
상기 스퍼터링 파라미터는 스퍼터링 파워, 스퍼터링 전압, 스퍼터링 전류, 스퍼터링 시간 및 스퍼터링 온도를 포함하는
것을 특징으로 하는 수소화 복합물 필름의 제조 방법. - 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반응 챔버 내에는 하나 이상의 타겟 재료가 설치되고,
상기 타겟 재료는 상기 재료에 의해 제조되며,
상기 하나 이상의 타겟 재료는 한개 종류의 상기 재료 만에 의해 제작 가능하고, 또는
상기 하나 이상의 타겟 재료는 두개 종류 이상의 상기 재료에 의해 제작 가능한
것을 특징으로 하는 수소화 복합물 필름의 제조 방법. - 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반응 챔버 내로 유입되는 상기 불활성 가스의 유량은 800 표준 밀리리터/분보다 작은
것을 특징으로 하는 수소화 복합물 필름의 제조 방법. - 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반응 챔버 내로 유입되는 상기 수소 가스의 유량은 400 표준 밀리리터/분보다 작은
것을 특징으로 하는 수소화 복합물 필름의 제조 방법. - 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 불활성 가스는 아르곤 가스인
것을 특징으로 하는 수소화 복합물 필름의 제조 방법. - 광학 필터로서,
기재;
제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 따른 수소화 복합물 필름의 제조방법에 의해 제조되고, 상기 기재 상에 적층되는 수소화 복합물 필름층; 및
굴절률이 상기 수소화 복합물 필름층의 굴절률보다 작은 제1 필름층을 포함하는
것을 특징으로 하는 광학 필터. - 제11 항에 있어서,
상기 기재 상에는 복수 층의 상기 수소화 복합물 필름층 및 복수 층의 상기 제1필름층이 설치되고,
복수 층의 상기 수소화 복합물 필름층과 복수 층의 상기 제1필름층은 교대로 배치되는
것을 특징으로 하는 광학 필터. - 제11 항 또는 제12 항에 있어서,
상기 제1 필름층은 중저 굴절률을 갖는 재료층인
것을 특징으로 하는 광학 필터. - 제11 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 필름층은 산화규소, 수산화규소 등으로 이루어지는
것을 특징으로 하는 광학 필터.
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