KR20230042979A - 메타 광학 소자 및 메타표면 제조방법 - Google Patents

메타 광학 소자 및 메타표면 제조방법 Download PDF

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KR20230042979A
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김희주
홍종우
김연희
배기덕
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Abstract

본 개시는 메타 광학 소자 및 메타표면 제조방법에 대한 것으로, 예시적인 메타 광학 소자는 기판 및 나노구조를 포함하고, 나노구조는 직경 또는 주기 중 적어도 하나가 다른 제1 부분과 제2 부분을 포함하며, 제1 부분의 식각 깊이에 대한 제2 부분의 식각 깊이의 비율은 0.9 내지 1.1이며, 나노구조에 황, 플루오린, 또는 플루오로카본 중 적어도 하나가 포함될 수 있다.

Description

메타 광학 소자 및 메타표면 제조방법{METAOPTICS AND METHOD OF MANUFACTURING METASURFACE}
본 개시는 메타 광학 소자 및 메타표면 제조방법에 관한 것이다.
최근에 회절현상의 물리적 제약을 뛰어넘는 광학 소자의 제작을 위해 광 파장보다 작은 절연 구조물로 구성된 메타표면(metasurface)을 포함하는 소자가 제작되고 있다. 메타표면 소자 제작을 위해 높은 굴절률과 해당되는 광 파장에서 낮은 흡수율을 가지는 물질을 사용해야 한다. 종래기술에서는, 주로 1550nm의 적외선 파장 대역에서 굴절률이 3.5 이상으로 높고 소멸 계수(extinction coefficient)가 10-5 이하인 Si를 이용하여 메타표면을 제조하였다. 하지만 실리콘(Si)은 적외선보다 파장이 짧은 가시광선 영역에서는 광 흡수가 커서(또는 소멸 계수가 커서) 투과효율이 대폭 감소하기 때문에 가시광선 영역대에서 광학 소자로서 응용이 힘들 수 있다.
가시광선 영역대에서 메타표면을 제조하기 위해 이산화규소(SiO2) 기판을 소재로 사용할 수 있지만, SiO2는 가시광선 영역대에서 굴절률이 1.45로 상대적으로 낮은 편이다. 메타표면의 나노패턴들을 통과하는 투과 위상차(transmission phase shift) 차이를 크게 하기 위해서, 큰 종횡비의 나노구조를 형성하여야 하는데, 소재의 굴절률이 낮을수록 요구되는 종횡비가 커지게 된다. 굴절률이 1.45인 SiO2의 경우 2 um 이상의 높이를 가지는 고종횡비 구조를 요구하는 단점이 있다.
또한, 메타표면 제조시, 식각 면적에 따라서 식각 깊이가 달라지는 현상(aspect ratio dependent etch, ARDE)이 발생할 수 있는데, 이러한 현상을 없애는 방법이 필요한 상황이다.
식각 면적과 무관하게 식각 깊이가 실질적으로 균일하거나, 또는 식각 면적에 따른 식각 깊이 차이가 적은 나노구조를 포함하는 메타 광학 소자를 제공한다.
플루오린 계열 혼합 가스를 사용하여 식각 면적과 무관하게 식각 깊이가 실질적으로 균일하거나, 또는 식각 면적에 따른 식각 깊이 차이가 적은 나노구조를 형성하는 메타표면 제조방법을 제공한다.
기판과 패턴층 사이에 식각정지층을 포함하여 나노구조의 식각 깊이가 실질적으로 균일하게 되거나 식각 깊이 차이가 적은 나노구조를 형성하는 메타표면을 제조하는 방법을 제공한다.
예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자는 기판 및 기판 상에 배열된 필러 어레이(pillar array) 또는 홀 어레이(hole array)를 포함하는 나노구조를 포함하고, 나노구조는 제1 직경 및 제1 주기를 가지는 복수 개의 제1 필러가 배치된 제1 부분 및 제1 부분과 직경 또는 주기 중 적어도 하나가 다르며, 제2 직경 및 제2 주기를 가지는 복수 개의 제2 필러가 배치된 제2 부분을 포함하며, 제1 부분의 식각 깊이에 대한 제2 부분의 식각 깊이의 비율은 0.9 내지 1.1이며, 나노구조의 표면 또는 내부에 황(S), 플루오린(F), 또는 플루오로카본(CFx) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 나노구조의 표면 또는 내부에 위치한 일 단면의 황(S) 함유량은 0.1 at% 내지 5 at%, 나노구조의 표면 또는 내부에 위치한 일 단면의 플루오린(F) 함유량은 1 at% 내지 50 at%, 또는 나노구조의 표면 또는 내부에 위치한 일 단면의 플루오로카본(CFX) 함유량은 1 at% 내지 50 at%일 수 있다.
그리고, 메타 광학 소자는 1mm 이하의 두께를 가질 수 있다.
또한, 나노구조의 주기는 150 nm 내지 500 nm 이며, 나노구조에 포함된 복수 개의 제1 필러 및 제2 필러 중 일 필러의 단면의 폭은 50 nm 내지 350 nm 이며, 나노구조에 포함된 복수 개의 제1 필러 및 제2 필러 중 일 필러의 높이는 200 nm 내지 2000 nm이며, 나노구조가 포함된 복수 개의 제1 필러 및 제2 필러 중 일 필러의 종횡비는 1:5 이상일 수 있다.
그리고, 나노구조는 가시광선 영역에서 굴절률이 2 이상이고, 소멸 계수가 1 x 10-5 이하인 물질을 포함할 수 있다.
또한, 나노구조는 TiO2를 포함할 수 있다.
그리고, 기판과 나노구조 사이에 제1 식각정지층을 더 포함하며, 육플루오린화 황(SF6) 및 옥타플루오로사이클로부텐(C4H8)을 포함하는 플루오린 계열 혼합 가스에 의한 제1 식각정지층의 식각 속도는 나노구조가 포함하는 물질의 식각 속도의 1/5배보다 작을 수 있다.
또한, 제1 식각정지층의 가시광선 영역에서 소멸 계수는 1 x 10-5 이하이며,
제1 식각정지층의 굴절률은 제1 식각정지층 상부에 배치된 물질의 굴절률과 제1 식각정지층 하부에 배치된 물질의 굴절률 사이의 값을 가지며, 제1 식각정지층은 메타표면에서 일어나는 가시광선 영역 광 반사를 줄이도록 구성된 두께를 가질 수 있다.
그리고, 제1 식각정지층은 10 nm 내지 120 nm의 두께를 가지며, 제1 식각정지층은 Al2O3, HfO2, SiON, AlON, Y2O3, Si3N4, ZnO, Ta2O5, ZrO2, AlN, Nb2O5 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 제1 식각정지층과 나노구조 사이에 제1 식각정지층의 물질과 다른 물질을 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 전자 장치는 상기 메타 광학 소자를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 메타표면 제조방법은 패턴층을 포함하는 기판을 준비하는 단계, 식각마스크로 패턴층의 소정 부분을 덮는 단계 및 패턴층의 식각을 유도하는 제1 가스 및 패턴층의 식각 속도를 늦추는 역할을 하는 제2 가스를 포함하는 플루오린 계열 혼합 가스를 이용하여 패턴층을 식각하여 나노구조를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 제1 가스는 육플루오린화 황(SF6)이고, 제2 가스는 옥타플루오로사이클로부텐(C4F8)이며, 제2 가스는 패턴층에 패시베이션 형성 또는 폴리머 형성을 유도하며, 식각은 플라즈마 건식 식각 방식의 유도 결합 플라즈마 에칭(Inductively Coupled Plasma(ICP) Etching), 또는 용량 결합 플라즈마 에칭(Capacitively Coupled Plasma(CCP) Etching) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고, 황(S), 플루오린(F), 또는 플루오로카본(CFx) 중 적어도 하나가 나노구조의 표면에 배치되거나, 또는 나노구조의 내부에 주입될 수 있다.
또한, 나노구조는 복수 개의 필러(pillar)를 가지는 필러 어레이(pillar array) 또는 홀 어레이(hole array)를 포함하며, 나노구조의 주기는 150 nm 내지 500 nm을 가지도록 형성되며, 나노구조에 포함된 복수 개의 필러 중 일 필러의 단면의 폭은 50 nm 내지 350 nm이며, 나노구조에 포함된 복수 개의 필러 중 일 필러의 높이는 200 nm 내지 2000 nm 이며, 나노구조에 포함된 복수 개의 필러 중 일 필러의 종횡비는 1:5 이상일 수 있다.
그리고, 필러 어레이는 제1 직경 및 제1 주기를 가지는 복수 개의 제1 필러가 배치된 제1 부분 및 제1 부분과 직경 또는 주기 중 적어도 하나가 다르며, 제2 직경 및 제2 주기를 가지는 복수 개의 제2 필러가 배치된 제2 부분을 포함하며, 제1 가스와 제2 가스의 혼합 비율은 제1 부분의 식각 깊이에 대한 제2 부분의 식각 깊이의 비율이 0.9 내지 1.1이 되도록 하는 비율일 수 있다.
또한, 제1 가스와 제2 가스의 혼합 비율은 제1 부분에 형성된 복수 개의 필러의 직경, 제1 부분에 형성된 복수 개의 필러의 주기, 제1 부분에 형성된 복수 개의 필러의 종횡비, 제2 부분에 형성된 복수 개의 필러의 직경, 제2 부분에 형성된 복수 개의 필러의 주기, 또는 제2 부분에 형성된 복수 개의 필러의 종횡비 중 적어도 하나에 기초하여 결정될 수 있다.
그리고, 제1 가스와 제2 가스의 혼합 비율은 복수 개의 제1 필러 및 제2 필러 중 적어도 하나의 측벽이 기판과 실질적으로 수직이 되도록 하는 비율일 수 있다.
또한, 패턴층은 TiO2를 포함할 수 있다.
그리고, 패턴층을 포함하는 기판은 기판과 패턴층 사이에 배치되고, 가시광선 영역 광 반사를 줄이도록 구성된 두께를 가지는 제1 식각정지층을 더 포함하며, 나노구조 형성 단계에서 제1 식각정지층이 식각되지 않거나 또는 일부 식각될 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자는 식각 면적과 무관하게 실질적으로 균일하게 식각된 메타 광학 소자를 제공할 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자는 필러의 주기 또는 직경 중 적어도 하나가 다른 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고, 제1 부분의 식각 깊이에 대한 제2 부분의 식각 깊이의 비율이 0.9 내지 1.1인 메타 광학 소자를 제공할 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자에 포함된 메타 광학 소자의 식각정지층은 소정 두께를 가져 반사 방지(anti-reflection) 역할을 할 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자는 가시광선 영역대에서 약 2.45의 굴절률을 가지며, 소멸 계수 k가 약 10-5 이하인 메타 광학 소자를 제공해줄 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자는 TiO2 필러 어레이로 구성된 메타 광학 소자는 기판 상에 약 2um 이내의 두께로 패터닝되어 약 1mm 이하의 박형 메타 광학 소자를 제공해줄 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 메타표면 제조방법은 플루오린(F) 계열의 혼합 가스 및/또는 식각정지층을 사용하여 식각 면적과 무관하게 실질적으로 균일하게 식각된 TiO2 필러 어레이(pillar array)를 포함하는 메타표면을 제조할 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 메타표면 제조방법은 플루오린(F) 계열의 혼합 가스 및/또는 식각정지층을 사용하여 식각 면적에 따라 식각 깊이 차이가 적은 TiO2 필러 어레이를 포함하는 메타표면을 제조할 수 있다
예시적인 실시예에 따른 메타표면 제조방법은 플루오린(F) 계열의 혼합 가스 및/또는 식각정지층을 사용하여 TiO2를 식각할 때 발생하는 ARDE(aspect ratio dependent etch) 현상을 보상할 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 메타표면 제조방법에 관한 순서도이다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 메타표면 제조방법에 있어서, 패턴층 상에 식각마스크를 덮은 단면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 예시적인 실시예에 따른 메타표면 제조방법에 있어서, 플루오린 혼합 가스 비율을 다르게 하여 식각한 나노구조를 나타낸 단면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 예시적인 실시예에 따른 메타표면 제조방법에 있어서, 플루오린 혼합 가스 비율을 다르게 하여 식각한 나노구조의 측벽 프로파일을 나타낸 단면도이다.
도 5a 내지 도 5c는 예시적인 실시예에 따른 메타표면 제조방법을 사용하여 일 패턴층에 형성된 나노구조를 포함하는 메타 광학 소자의 현미경 사진이다.
도 6a는 패턴층 하부에 식각정지층이 더 배치된 기판을 나타낸 단면도이다.
도 6b는 도 6a의 기판과 나노구조 사이에 식각정지층이 더 포함된 메타 광학 소자를 나타낸 단면도이다.
도 7은 기판과 나노구조 사이에 복수 개의 식각정지층이 포함된 메타 광학 소자를 나타낸 도면이다.
도 8a는 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자의 평면도를 나타낸 것이다.
도 8b는 도 8a의 메타 광학 소자의 A-A'단면을 나타낸 도면이다.
도 9a는 예시적인 실시예에 다른 메타 광학 소자의 깊이에 따른 플루오린(fluorine, F) 원자 농도(atomic concentration) 그래프이다.
도 9b는 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자의 깊이에 따른 황(sulfur, S) 원자 농도 그래프이다.
도 9c 내지 도 9e는 X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)을 통해 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자의 CFx 피크(peak) 및 메탈플루오라이드(metal-fluoride) 피크를 나타낸 그래프이다.
도 10은 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 11은 도 10의 전자 장치에 구비되는 카메라 모듈의 개략적인 구성을 예시적으로 보이는 블록도이다.
도 12은 도 11의 전자 장치에 구비되는 3D 센서의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다. 마찬가지로, "하부" 나 "아래"라고 기재된 것은 접촉하여 바로 밑에 있는 것뿐 만 아니라 비접촉으로 아래에 있는 것도 포함할 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수 개의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.
“연결”의 의미는 물리적 연결은 물론, 광학적 연결, 전기적 연결 등을 포함할 수 있다.
또한, 모든 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구항에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 용어로 인해 권리 범위가 한정되는 것은 아니다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되어서는 안된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
높이, 깊이, 두께 등의 길이 단위가 실질적으로 같거나 동일하다는 것은 당업자에게 인정되는 오차 범위 내의 차이가 있는 것도 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 메타표면 제조방법에 대한 설명은 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자에 대한 설명에 대응될 수 있다.
메타 광학 소자는 메타표면을 포함하는 광학 소자일 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 메타표면 제조방법에 관한 순서도이고, 도 2는 예시적인 실시예에 따른 메타표면 제조방법에 있어서, 패턴층 상에 식각마스크를 덮은 단며도이다. 도 3a 내지 도 3c는 예시적인 실시예에 따른 메타표면 제조방법에 있어서, 플루오린 혼합 가스 비율을 다르게 하여 식각한 나노구조를 나타낸 단면도이다. 도 4a 내지 도 4c는 예시적인 실시예에 따른 메타표면 제조방법에 있어서, 플루오린 혼합 가스 비율을 다르게 하여 식각한 나노구조의 측벽 프로파일을 나타낸 단면도이다. 도 5a 내지 도 5c는 예시적인 실시예에 따른 메타표면 제조방법을 사용하여 일 패턴층에 형성된 나노구조를 포함하는 메타 광학 소자의 현미경 사진이다.
예시적인 실시예에 따른 메타표면 제조방법은 패턴층(100)이 배치된 기판(50)을 준비하는 단계, 식각마스크(60)로 패턴층(100)의 소정 부분을 덮는 단계 및 플루오린 계열 혼합 가스(G)를 이용하여 패턴층(100)을 식각하여 나노구조(10)를 형성하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 플루오린 계열 혼합 가스(G)는 패턴층(100)의 식각을 유도하는 제1 가스(G1) 및 패턴층(100)의 식각 속도를 늦추는 역할을 하는 제2 가스(G2)를 포함할 수 있다. 상기 형성방법으로 형성된 나노구조(10)는 복수 개의 필러(110)를 포함하는 필러 어레이 또는 복수 개의 홀을 포함하는 홀 어레이 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 나노구조(10)의 나노 패턴(예를 들어, 복수 개의 필러(110), 복수 개의 홀 등)의 주기, 단면의 폭 등이 나노구조(10)에 입사되는 광의 파장보다 더 작은 크기를 가져 메타표면으로 사용될 수 있다. 메타표면의 두께는 약 수십 나노미터에서 약 수천 나노미터를 가져, 박형으로 제작되며, 이에 따라 작은 두께의 광학 소자를 구현할 수 있다.
도 1 및 도 2에 따르면, 패턴층(100)이 배치된 기판(50)을 준비한다(S101). 기판(50)은, 예를 들어 SiO2일 수 있으며, 이 외의 다른 유전체일 수 있다. 패턴층(100)은 가시광선 영역에서 굴절률이 약 2 이상이고, 소멸 계수가 약 1 x 10-5 이하인 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 패턴층(100)은 이산화타이타늄(TiO2)를 포함할 수 있다. TiO2는 가시광선 영역대, 약 380nm 내지 750nm에서 굴절률이 약 2.4 이상일 수 있다. 또한, TiO2는 상기 가시광선 영역대에서 소멸 계수(k)가 약 1 x 10-5 이하일 수 있다. 패턴층(100)이 포함하는 물질의 굴절률이 클수록, 패턴층(100)에 형성되는 나노구조(10)의 종횡비는 줄어들 수 있다. 메타표면 구조를 구현하기 위해서, 필러 어레이와 같은 나노 패턴들을 통과하는 광의 투과 위상차(transmission phase shift) 차이를 크게 해줄 필요가 있다. 나노 패턴이 포함하는 구조의 종횡비가 커질 수록 투과 위상차 차이가 커질 수 있다. 패턴층(100)이 포함하는 물질의 굴절률이 클수록 굴절률이 작은 물질을 사용하는 경우보다 상대적으로 종횡비를 작게 구현할 수 있다. 예를 들어, 굴절률이 약 1.46(약 550nm의 파장을 갖는 광에 대하여)인 SiO2는 상대적으로 작은 굴절률로 인해 큰 종횡비의 나노구조(10)를 요구한다. 반면에, TiO2의 경우 가시광선 영역대에서 굴절률이 약 2.4 이상을 가지므로, SiO2와 비교하였을 때 상대적으로 작은 종횡비를 가져도 메타표면 구조를 구현할 수 있다.
도 1 및 도 2에 따르면, 패턴층(100)이 배치된 기판(50) 상에 식각마스크(60)로 패턴층(100)의 소정 부분을 덮는다(S102). 식각마스크(60)가 패턴층(100) 상에 덮여, 식각 시 식각마스크(60)로 덮인 부분에는 식각이 일어나지 않을 수 있다. 이에 따라, 식각 후 식각마스크(60)로 덮이지 않은 부분에 트렌치(120) 또는 홀이 형성된 나노구조(10)를 형성할 수 있다. 식각마스크(60)로 덮인 부분에는 식각이 일어나지 않을 수 있고, 예를 들어, 필러(110)가 형성될 수 있다. 식각마스크(60)는 형성될 나노구조(10)에 대응되도록 배치되어 패턴층(100)의 소정 부분을 덮을 수 있다. 예를 들어, 식각마스크(60)로 비정질 카본층(amorphous carbon layer, ACL)이 사용될 수 있다. 식각마스크(60)는 나노구조(10) 형성 후 별도의 과정을 통해 제거될 수 있다.
도 1 및 도 3a 내지 도 3c에 따르면, 플루오린 계열 혼합 가스(G)를 이용하여 패턴층(100)을 식각하여 나노구조(10)를 형성한다(S103). 형성되는 나노구조(10)는 복수 개의 필러(pillar)(110)를 포함하는 필러 어레이(pillar array) 또는 복수 개의 홀(hole)을 포함하는 홀 어레이(hole array)를 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고 다양한 형상의 나노 패턴들이 나노구조(10)에 형성될 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 메타표면 제조방법에 따라 형성된 나노구조(10)는 동일한 종횡비의 필러(110)가 동일한 주기로 형성될 수도 있으며, 동일한 종횡비의 필러(110)가 다른 주기로 형성될 수도 있으며, 다른 종횡비의 필러(110)가 동일한 주기로 형성될 수도 있다. 또한, 다른 종횡비의 필러(110)가 다른 주기로 형성될 수도 있다. 다른 종횡비의 필러(110)들은 실질적으로 동일한 측벽(111) 높이(또는, 식각 깊이)를 가지도록 형성되거나, 또는 측벽(111) 높이(또는, 식각 깊이)의 차이가 작도록 형성될 수 있다. 여기서, 측벽(111) 높이의 차이가 작다는 것은, 측벽(111) 높이 중 작은 값의 10% 이내의 차이를 가지고 필러(110)들이 형성되는 것을 의미할 수 있다. 복수 개의 필러(110) 사이에는 트렌치(120)가 형성될 수 있으며, 트렌치(120)는 트렌치 바닥면(121)을 포함할 수 있다. 복수 개의 제1 필러(110A) 사이에는 제1 트렌치(120A)가 형성될 수 있으며, 제1 트렌치(120A)는 제1 트렌치 바닥면(121A)을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 복수 개의 제2 필러(110B) 사이에는 제2 트렌치(120B)가 형성될 수 있으며, 제2 트렌치(120B)는 제2 트렌치 바닥면(121B)을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 메타표면 제조방법에 따라 형성된 나노구조(10)의 복수 개의 필러(110)의 주기는 입사되는 광의 파장보다 작을 수 있다. 예를 들면, 입사되는 광이 가시광선 파장 영역대라면, 복수 개의 필러(110)의 주기는 약 150 nm 내지 약 500 nm일 수 있다. 또한, 형성된 나노구조(10)의 복수 개의 필러(110) 중 일 필러(110)의 단면 폭은 광의 파장보다 작을 수 있다. 예를 들면, 입사되는 광이 가시광선 파장 영역대라면, 복수 개의 필러(110) 중 일 필러(110)의 단면 축은 약 50 nm 내지 약 350 nm일 수 있다. 복수 개의 필러(110) 중 일 필러(110)의 높이는 약 200nm 내지 약 2000nm일 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 메타표면 제조방법에 따라 형성된 나노구조(10)는 1:5 이상의 종횡비를 가지는 구조를 포함할 수 있다. 종횡비가 커질수록, 광이 메타표면에 통과시 생기는 투과 위상차가 커질 수 있다. 나노구조(10)가 필러 어레이를 포함하는 경우, 필러(110)의 종횡비가 1:5 이상일 수 있다. 나노구조(10)가 홀 어레이를 포함하는 경우, 홀의 종횡비가 1:5 이상일 수 있다.
나노구조(10)가 포함하는 필러 어레이는 제1 직경 및 제1 주기를 가지는 복수 개의 제1 필러(110A)가 배치된 제1 부분(100A)을 포함할 수 있으며, 또한 제1 부분(100A)과 필러(110)의 직경 또는 주기 중 적어도 하나가 다르며, 제2 직경 및 제2 주기를 가지는 복수 개의 필러(110B)가 배치된 제2 부분(100B)을 포함할 수 있다. 다시 말하면, 제1 주기와 제2 주기는 같으면서 제1 직경과 제2 직경은 서로 다를 수 있으며, 또는 제1 직경과 제2 직경은 같으면서 제1 주기와 제2 주기가 서로 다를 수 있으며, 또는 제1 직경과 제2 직경, 제1 주기와 제2 주기 각각이 서로 다를 수도 있다. 예를 들어, 제2 주기는 제1 주기보다 더 크거나 더 작은 주기를 가질 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 메타표면 제조방법에 사용되는 플루오린 계열 혼합 가스(G)는 복수의 가스를 포함할 수 있다. 플루오린 계열 혼합 가스(G)는 제1 가스(G1) 및 제2 가스(G2)를 포함할 수 있다. 제1 가스(G1)는 패턴층(100)의 식각을 유도할 수 있으며, 제2 가스(G2)는 패턴층(100)의 식각 속도를 늦출 수 있다. 제2 가스(G2)는 패턴층(100)에 패시베이션 형성 또는 폴리머 형성을 하여 식각 속도를 늦출 수 있다. 제1 가스(G1)와 제2 가스(G2)는 서로 상보적인 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 제1 가스(G1)로는 육플루오린화 황(sulfur hexafluoride, SF6)가 사용될 수 있고, 제2 가스(G2)로는 옥타플루오로사이클로부텐(octafluorocyclobutane, C4F8)이 사용될 수 있다. 플루오린 계열 혼합 가스(G)와 함께 아르곤(Ar) 가스가 식각 시 같이 사용될 수 있다.
식각을 유도하는 제1 가스(G1)만 나노구조(10) 형성에 사용되는 경우에, 서로 다른 식각 면적(etch area)에 대해 식각 깊이(etch depth)가 차이나는 종횡비 의존 식각(Aspect Ratio Dependent Etch, ARDE) 효과가 나타날 수 있다. 이는 플라즈마 식각에서 RIE-lag(Reactive Ion Etching lag)로 인하여 종횡비가 크거나 또는 좁은 패턴에 식각 가스가 유입되기 어려워 식각 속도가 느려지기 때문일 수 있다. 이는 마이크로 로딩 효과일 수 있다. 예를 들어, 식각 면적이 더 좁을수록 식각 깊이는 더 줄어들 수 있으며, 식각 면적이 넓어질수록 식각 깊이가 더 커질 수 있다. 패턴층(100)에 서로 다른 선폭(linewidth) 또는 서로 다른 식각 면적을 가지는 나노구조(10) 형성 시, ARDE 효과를 줄일 수 없다면 실질적으로 균일한 식각 깊이를 갖는 나노구조(10)를 형성하기 어려울 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 메타표면 제조방법의 플루오린 계열 혼합 가스(G)를 사용하는 경우 혼합 가스가 식각을 유도하는 제1 가스(G1) 및 폴리머 형성을 유도하여 식각 속도를 늦추는 제2 가스(G2)를 포함하며, 제2 가스(G2)는 제1 가스(G1)의 ARDE의 효과를 줄이거나 상쇄시킬 수 있다. 도 3a 내지 도 3c를 참고하면, 제2 부분(100B)의 제2 필러(110B)의 제2 직경은 제1 부분(100A)의 제1 필러(110A)의 제1 직경보다 더 큰 직경이고, 제2 부분(100B)의 제2 주기는 제1 부분(100A)의 제1 주기보다 더 큰 주기이다. 제2 가스(G2)에 대한 제1 가스(G1)의 비율이 소정 혼합 비율(p1)보다 더 높은 비율로 혼합 가스가 혼합되어 나노구조(10)가 형성된다면, 도 3a와 같이, 형성된 나노구조(10)는 ARDE 효과로 인하여 제1 부분(100A)의 제1 식각 깊이(d1)는 제2 부분(100B)의 제2 식각 깊이(d2)보다 작을 수 있다. 이 때, 제2 가스(G2)가 없는 경우 제1 식각 깊이(d1)와 제2 식각 깊이(d2)의 차보다 제2 가스(G2)가 있는 경우 제1 식각 깊이(d1)와 제2 식각 깊이(d2)의 차가 더 작을 수 있으며, 이는 제2 가스(G2)에 의해 ARDE 효과가 줄어든 것이라고 할 수 있다. 제2 가스(G2)에 대한 제1 가스(G1)의 비율이 소정 혼합 비율(p1)로 혼합 가스가 혼합되어 나노구조(10)가 형성된다면, 도 3b와 같이, 형성된 나노구조(10)는 제2 가스(G2)에 의해 제1 가스(G1)의 ARDE 효과가 거의 상쇄되어, 제1 식각 깊이(d1)와 제2 식각 깊이(d2)가 실질적으로 같거나 또는, 제1 식각 깊이(d1)와 제2 식각 깊이(d2)가 제1 식각 깊이(d1)와 제2 식각 깊이(d2) 중 작은 값의 10% 이내의 차이를 가질 수 있다. 또는, 제1 식각 깊이(d1)에 대한 제2 식각 깊이(d2)의 비율은 약 0.9 내지 1.1일 수 있다. 제2 가스(G2)에 대한 제1 가스(G1)의 비율이 소정 혼합 비율(p1)보다 더 낮은 비율로 혼합 가스가 혼합되어 나노구조(10)가 형성된다면, 도 3c와 같이, 형성된 나노구조(10)는 제2 가스(G2)에 의해 ARDE 효과에 반대되는 효과를 받아 제1 식각 깊이(d1)가 제2 식각 깊이(d2)보다 클 수 있다. 제2 가스(G2)가 일정 비율보다 많은 비율로 혼합된 경우 ARDE 효과에 상반되는 효과를 나타내어, 선폭 또는 식각 면적이 넓을수록 폴리머 형성이 더 잘 일어날 수 있다. 제2 가스(G2)에 대한 제1 가스(G1)의 비율을 적절히 하여, 홀 또는 필러(110)의 직경 및/또는 주기가 다른 영역에 식각 깊이의 차이를 줄이거나 실질적으로 동일하게 할 수 있다. 제1 부분(100A)의 제1 식각 깊이(d1)는 제1 부분(100A)이 포함하는 제1 필러(110A)의 제1 측벽(111A)의 높이일 수 있으며, 제2 부분(100B)의 제2 식각 깊이(d2)는 제2 부분(100B)이 포함하는 제2 필러(110B)의 제2 측벽(111B)의 높이일 수 있다.
제1 가스(G1) 및 제2 가스(G2)를 포함하는 플루오린 혼합 가스가 소정 혼합 비율(p1)로 혼합되어 나노구조(10) 형성에 사용되는 경우, 필러 어레이의 제1 부분(100A)과 제2 부분(100B)이 실질적으로 균일하게 식각되어 형성되거나, 또는 제1 부분(100A)의 식각 깊이와 제2 부분(100B)의 식각 깊이가 둘 중 작은 값의 10% 이내의 차이를 가지며 형성될 수 있다. 또는, 제1 가스(G1)와 제2 가스(G2)의 혼합 비율은 제1 부분(100A)의 식각 깊이에 대한 제2 부분(100B)의 식각 깊이의 비가 0.9 내지 1.1이 되도록 하는 비율일 수 있다. 제1 가스(G1)와 제2 가스(G2)의 소정 혼합 비율(p1)은 제1 부분(100A)에 형성된 제1 필러(110A)의 직경, 제1 부분(100A)에 형성된 제1 필러(110A)의 주기(제1 부분(100A)의 주기), 제2 부분(100B)에 형성된 제2 필러(110B)의 직경, 제2 부분(100B)에 형성된 제2 필러(110B)의 주기(제2 부분(100B)의 주기) 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 소정 혼합 비율(p1)은 상기 나열된 조건에 한정되지 않고, 제조공정 시 온도, 제1 부분(100A)의 제1 필러(110A)의 종횡비, 제2 부분(100B) 의 제2 필러(110B)의 종횡비 등에 기초하여 달라질 수도 있다. 따라서, 제1 가스(G1)와 제2 가스(G2)의 소정 혼합비율은 상기 조건들에 기초하여 결정될 수 있다.
도 4a 내지 도 4c를 참고하면, 제1 가스(G1)와 제2 가스(G2)의 혼합 비율에 따라 형성되는 복수 개의 필러(110) 측벽(111)의 프로파일이 변화될 수 있다. 제1 가스(G1)와 상기 제2 가스(G2)의 혼합 비율은 복수 개의 필러(110) 중 적어도 하나의 측벽(111)이 기판(50)과 실질적으로 수직이 되도록 하는 비율일 수 있다. 제2 가스(G2)에 대한 제1 가스(G1)의 비율이 소정 혼합 비율(p2)보다 높은 비율로 혼합 가스가 혼합되어 나노구조(10)가 형성된다면, 도 4a와 같이, 기판(50)에서 멀어질수록 직경이 커지는 측벽(111) 프로파일을 가진 복수 개의 필러(110)가 형성될 수 있다. 제2 가스(G2)에 대한 제1 가스(G1)의 비율이 소정 혼합 비율(p2)로 혼합 가스가 혼합되어 나노구조(10)가 형성된다면, 도 4b와 같이, 높이에 따라 직경이 실질적으로 같은, 즉 실질적으로 수직한 측벽(111) 프로파일을 가지고 복수 개의 필러(110)가 형성될 수 있다. 제2 가스(G2)에 대한 제1 가스(G1)의 비율이 소정 혼합 비율(p2)보다 낮은 비율로 혼합 가스가 혼합되어 나노구조(10)가 형성된다면, 도 4c와 같이, 기판(50)에서 멀어질수록 직경이 줄어드는 측벽(111) 프로파일을 가지고 복수 개의 필러(110)가 형성될 수 있다. 제2 가스(G2)에 대한 제1 가스(G1)의 비율을 적절히 하여, 나노구조(10)의 측벽(111) 프로파일을 개선할 수 있다.
제1 가스(G1) 및 제2 가스(G2)를 포함하는 플루오린 혼합 가스가 소정 혼합 비율(p2)로 혼합되어 나노구조(10) 형성에 사용되는 경우, 복수 개의 필러(110)가 실질적으로 수직인 측벽(111) 프로파일을 가지며 형성될 수 있다. 실질적으로 수직인 측벽(111) 프로파일의 형성은 제1 가스(G1)로 인한 식각과 제2 가스(G2)로 인한 패시베이션 또는 폴리머 형성이 적정 비율로 일어나기 때문일 수 있다. 이 때, 실질적으로 수직인 측벽(111) 프로파일은 필러(110)가 기판(50)과 90도의 측벽(111)을 가지는 경우뿐만 아니라 당업자의 오차 범위 내에서 거의 수직인 측벽(111) 프로파일도 포함될 수 있다. 실질적으로 수직인 측벽(111) 프로파일을 형성하기 위한 제1 가스(G1) 및 제2 가스(G2)의 소정 혼합 비율(p2)은, ARDE 효과를 줄이거나 상쇄하여 제1 부분(100A)의 제1 식각 깊이(d1)와 제2 부분(100B)의 제2 식각 깊이(d2)를 실질적으로 동일하게 하는 소정 혼합 비율(p1)과 실질적으로 동일할 수 있으며, 약간의 차이를 가질 수도 있다.
예시적인 실시예에 따른 메타표면 제조방법에 있어서, 제1 가스(G1) 및 제2 가스(G2)를 포함하는 플루오린 계열 혼합 가스(G)를 이용하여 패턴층(100)을 식각하여 나노구조(10)를 형성할 수 있다(S103). 예를 들어, 식각 방법으로는 플라즈마 건식 식각 방식의 유도 결합 플라즈마 에칭(Inductively Coupled Plasma(ICP) Etching), 또는 용량 결합 플라즈마 에칭(Capacitively Coupled Plasma(CCP) Etching) 등이 사용될 수 있다.
형성 단계(S103)에서, 황(S), 플루오린(F), 또는 플루오로카본(CFx) 중 적어도 하나가 상기 나노구조(10)의 표면에 배치되거나, 또는 나노구조(10)의 내부에 주입될 수 있다. 나노구조(10)의 표면에 배치되거나, 또는 나노구조(10)의 내부에 주입되는 황(S), 플루오린(F), 또는 플루오로카본(CFx)은 제1 가스(G1) 및/또는 제2 가스(G2)로 패턴층(100)을 식각할 시 생기는 부산물일 수 있다.
도 5a 내지 도 5c를 참고하면, 도 5a 내지 도 5c의 현미경 사진은 일 기판(50)에 배치된 나노구조(10)를 포함하는 메타 광학 소자(20)의 서로 다른 영역을 보여주는 현미경 사진이다. 도 5a에 나타난 복수 개의 필러(110-1)는 단면 폭 60 nm, 주기 300 nm의 프로파일로 식각한 것이고, 도 5b에 나타난 복수 개의 필러(110-2)는 단면 폭 150 nm, 주기 300 nm의 프로파일로 식각한 것이고, 도 5c에 나타난 복수 개의 필러(110-3)는 단면 폭 230 nm, 주기 300 nm의 프로파일로 식각한 것이다. 상기 도 5a 내지 도 5c의 각 부분에 형성되는 복수 개의 필러(110-1)(110-2)(110-3)가 거의 동일한 식각 깊이를 가지고 형성되도록 제1 가스(G1) 및 제2 가스(G2)의 혼합 비율이 설정될 수 있다. 도 5a에 따르면, 일 영역에 형성된 나노구조(10)는 233 nm의 식각 깊이를 가지고 형성될 수 있고, 도 5b에 따르면, 다른 일 영역에 형성된 나노구조(10)는 250 nm의 식각 깊이를 가지고 형성될 수 있고, 도 5c에 따르면, 또 다른 일 영역에 형성된 나노구조(10)는 250 nm의 식각 깊이를 가지고 형성될 수 있다. 도 5a에 형성된 나노구조(10) 일부의 식각 깊이 233 nm은 나노구조(10)의 다른 일부의 식각 깊이 250 nm과 10% 이하(23.3 nm 이하)의 차이를 가질 수 있으며, 도 5b에 형성된 나노구조(10) 일부의 식각 깊이는 도 5c에 형성된 나노구조(10) 일부의 식각 깊이와 실질적으로 동일할 수 있다. 도 5a 내지 도 5c에 따르면, 예시적인 실시예에 따른 메타표면 제조방법에 따른 나노구조(10)는 필러(110)의 직경 또는 주기 중 적어도 하나가 다른 복수 개의 부분을 포함할 수 있으며, 복수 개의 부분의 식각 깊이 중 제1 부분(100A)의 제1 식각 깊이(d1)에 대한 제2 부분(100B)의 제2 식각 깊이(d2)의 비율은 약 0.9 내지 1.1일 수 있다.
도 5a 내지 도 5c의 메타표면 제조시 식각마스크(60)로 ACL을 사용할 수 있다. 식각마스크(60)에 의해 식각되지 않은 부분에서 필러(110-1)(110-2)(110-3)가 형성될 수 있다. ACL은 식각 후 별도의 과정을 통해 제거될 수 있다.
도 6a는 패턴층 하부에 식각정지층이 더 배치된 기판을 나타낸 단면도이고, 도 6b는 도 6a의 기판과 나노구조 사이에 식각정지층이 더 포함된 메타 광학 소자를 나타낸 단면도이다.
예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자(20)의 기판(50)과 패턴층(100) 사이에 식각정지층(200)이 배치될 수 있다. 예시적인 실시예에 따른 메타표면 제조방법의 기판(50)은 패턴층(100) 하부에 식각정지층(200)을 더 포함하는 기판(50)일 수 있다. 패턴층(100)이 식각되어 나노구조(10)를 형성하는 경우 기판(50)이 식각되지 않도록 패턴층(100) 하부에 배치될 수 있다. 식각정지층(200)은 플루오린 계열 혼합 가스(G)에 의한 식각 속도가 낮을 수 있으며, 식각정지층(200)의 식각 속도는 패턴층(100)의 식각 속도 및/또는 기판(50)의 식각 속도보다 작을 수 있다. 예를 들어, 플루오린 계열 혼합 가스(G)에 의한 식각정지층(200)의 식각 속도는 패턴층(100)의 식각 속도의 1/5배보다 작을 수 있다.
나노구조(10) 형성을 위한 패턴층(100) 식각 시, 식각정지층(200)은 식각되지 않거나 또는 일부 식각될 수 있다. 식각정지층(200)은 패턴층(100) 및 기판(50)보다 식각속도가 작으므로, 패턴층(100)을 식각하여 나노구조(10)를 형성할 때, 기판(50)이 식각되지 않도록 보호할 수 있으며, 또한 서로 다른 선폭 또는 식각 면적에 식각 시 발생하는 ARDE 효과를 줄일 수 있다. 따라서, 식각정지층(200)이 배치됨에 따라, 패턴층(100)이 포함하는 필러 어레이의 제1 부분(100A)과 제2 부분(100B)은 실질적으로 동일한 식각 깊이를 가지거나, 또는 제1 부분(100A)의 제1 식각 깊이(d1)와 제2 부분(100B)의 제2 식각 깊이(d2)는 둘 중 작은 값의 약 10% 이내의 값을 가질 수 있다. 다시 말하면, 제1 식각 깊이(d1)에 대한 제2 식각 깊이(d2)의 비율은 약 0.9 내지 1.1일 수 있다. 여기서, 제1 부분(100A)은 필러 어레이 중 제1 직경 및 제1 주기를 가지는 복수 개의 제1 필러(110A)가 배치된 부분이며, 제2 부분(100B)은 제1 부분(110A)과 필러(110)의 직경 또는 주기 중 적어도 하나가 다르며, 제2 직경 및 제2 주기를 가지는 복수 개의 제2 필러(110B)가 배치된 부분을 가리킬 수 있다. 식각정지층(200)이 배치됨에 따라 식각 깊이 차이를 줄이기 위한 플루오린 계열 혼합 가스(G)에 포함된 제1 가스(G1)와 제2 가스(G2)의 비율의 범위는 식각정지층(200)이 배치되지 않은 경우보다 상대적으로 넓어질 수 있다.
또한, 식각정지층(200)은 반사 방지(anti-reflection) 역할을 할 수 있다. 식각정지층(200)의 두께를 조절하여 메타표면에서 일어나는 반사를 줄일 수 있고, 이를 통해 예시적인 실시예에 따른 메타표면 제조방법에 의해 제조된 식각정지층(200)을 포함하는 메타표면이 광학 소자로서 사용 시 더 유리할 수 있다. 이러한 반사 방지 역할은 광 간섭을 통해 구현될 수 있으며, 이를 위해 식각정지층(200)의 두께는 광 파장의 1/4 두께를 가질 수 있다. 이 때, 광 파장은 식각정지층(200) 내부에서 광 파장을 의미할 수 있다. 예를 들어, 입사광 파장이 진공에서 500nm이고, 식각정지층(200)의 굴절률이 n1이라면, 식각정지층(200)의 두께는 약 500/(4n1)nm일 수 있다. 다만, 이는 예시적인 실시예 중 하나이고, 이 외의 다양한 방법으로 반사 반지 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 식각정지층(200)의 두께는 약 10 nm 내지 약 120 nm일 수 있다.
식각정지층(200)은 기판(50)의 굴절률 내지 패턴층(100)이 포함하는 물질의 굴절률 사이의 굴절률을 가질 수 있다. 또한, 가시광선 영역대 파장을 가지는 광, 예컨대 380 nm 내지 750 nm 파장의 광에 대하여 소멸 계수(k)가 낮아 광 흡수가 적을 수 있다. 예를 들어, 식각정지층(200)은 가시광선 영역에서 1 x 10-5 이하의 소멸 계수(k)를 가질 수 있다. 식각정지층(200)은 유전체 물질일 수 있다. 예를 들어, 식각정지층(200)은 산화알루미늄(Al2O3), 산화하프늄(HfO2), 또는 Al2O3 와 HfO2의 화합물(HfAlOx)을 포함할 수 있다. HfAlOx는, 하프늄(Hf)와 알루미늄(Al)이 일정 비율을 구성할 수 있으며, 예를 들어 1:1, 1:2, 또는 1:3일 수 있으며, 이 외의 다른 비율일 수도 있다. 트리메틸알루미늄(Trimethylaluminium, MTA, Al2(CH3)6)와 물(H2O), 테트라키스(테트라하이드로보레이트)하프늄(tetrakis(tetrahydroborate)hafnium, Hf(BH4)4)과 물(H2O)을 이용한, 전구체와 물(H2O) 주입 공정 사이클으로 다양한 비율의 HfAlOx 박막을 제작할 수 있다. 식각정지층(200)은, 상기 예에 한정되지 않고, SiON, AlON, Y2O3, Si3N4, ZnO, Ta2O5, ZrO2, AlN, Nb2O5, 또는 상기 물질의 조합(예를 들어, AlTaOx, ZrSiOx 등)을 포함할 수 있다. 식각정지층(200)은 가시광선 영역대의 일 파장에서 기판(50)의 굴절률과 패턴층(100)이 포함하는 물질의 굴절률 사이의 굴절률을 가질 수 있으며, 소멸 계수가 1 x 10-5 이하일 수 있다.
도 7은 기판과 나노구조 사이에 복수 개의 식각정지층이 포함된 메타 광학 소자를 나타낸 도면이다.
예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자(20)는 복수 개의 식각정지층(200)을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에 따른 메타표면 제조방법의 기판(50)은 패턴층(100) 하부에 복수의 식각정지층(200)을 더 포함하는 기판(50)일 수 있다. 기판(50)과 패턴층(100) 사이에 제1 식각정지층(210)이 배치될 수 있으며, 기판(50)과 제1 식각정지층(210) 사이에 제2 식각정지층(220)이 배치될 수 있다. 제1 식각정지층(210)과 제2 식각정지층(220)은 서로 다른 물질을 포함할 수 있다. 제1 식각정지층(210)의 굴절률은 제2 식각정지층(220)의 굴절률보다 클 수 있고, 또는 작을 수도 있다. 기판(50)과 제2 식각정지층(220) 사이에는 제3 식각정지층(미도시)이 배치될 수 있다. 제1 식각정지층(210)과 제3 식각정지층은 같은 물질을 포함하는 층일 수 있고, 이에 따라 굴절률이 같을 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고 다른 물질을 포함하여 다른 굴절률을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 식각정지층(210)과 제3 식각정지층이 같은 물질을 포함하는 경우, 제1 식각정지층(210)의 굴절률은 제2 식각정지층(220)의 굴절률보다 더 클 수 있다. 복수의 식각정지층(200) 각각은 반사 방지 역할을 할 수 있도록 두께를 가질 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 메타표면 제조방법을 통해 플루오린(F) 계열의 혼합 가스 및/또는 식각정지층(200)을 사용하여 식각 면적과 무관하게 실질적으로 균일하도록 식각된 필러 어레이의 나노구조(10)를 포함하는 메타표면을 형성할 수 있다. 또는, 상기 방법을 통해 제1 식각 깊이(d1)와 제2 식각 깊이(d2)가 둘 중 작은 값의 약 10% 이하의 차이를 가지는 나노구조(10)를 포함하는 메타표면을 형성할 수 있다. 제1 식각 깊이(d1)에 대한 제2 식각 깊이(d2)의 비율은 약 0.9 내지 1.1일 수 있다. 예시적인 실시예에 따른 메타표면 제조방법을 통해 플루오린(F) 계열의 혼합 가스를 사용하여 선폭 또는 식각 면적이 다름에 따라 발생하는 ARDE 효과를 줄이거나 상쇄할 수 있고, 나노구조(10)의 수직 프로파일을 확보할 수 있어 RIE lag를 최소화한 메타표면을 제공해줄 수 있다. 균일한 식각 깊이를 가지는 메타표면은 광학 소자로 구현 시 장점이 될 수 있다. 또한, 식각정지층(200)을 포함하여, ARDE 효과를 추가적으로 줄이거나 상쇄할 수 있으며, 오버 에치(over-etch) 공정이 포함되더라도 메타표면에 손상이 줄거나 없는 양산성 좋은 메타표면 제조방법을 제공해줄 수 있다. 더하여, 식각정지층(200)은 적절한 두께로 사용되어 메타표면에서 반사 방지의 역할을 수행하여 메타표면의 광 반사율을 감소시켜줄 수 있다.
도 8a는 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자의 평면도를 나타낸 것이고, 도 8b는 도 8a의 메타 광학 소자의 A-A'단면을 나타낸 도면이다. 도 9a는 예시적인 실시예에 다른 메타 광학 소자의 깊이에 따른 플루오린(fluorine, F) 원자 농도(atomic concentration) 그래프이고, 도 9b는 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자의 깊이에 따른 황(sulfur, S) 원자 농도 그래프이다. 도 9c 내지 도 9e는 X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)을 통해 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자의 CFx 피크(peak) 및 메탈플루오라이드(metal-fluoride) 피크를 나타낸 그래프이다.
도 8a 및 도 8b에 따르면, 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자(20)는 기판(50) 및 나노구조(10)를 포함할 수 있으며, 나노구조(10)는 제1 직경 및 제1 주기를 가지는 복수 개의 제1 필러(110A)가 배치된 제1 부분(100A) 및 제1 부분(100A)과 필러(110)의 직경 또는 주기 중 적어도 하나가 다르며, 제2 직경 및 제2 주기를 가지는 복수 개의 제2 필러(110B)가 배치된 제2 직경을 포함할 수 있다. 나노구조(10)의 제1 부분(100A)의 식각 깊이에 대한 제2 부분(100B)의 식각 깊이의 비율은 약 0.9 내지 1.1일 수 있으며, 나노구조(10)는 황(S), 플루오린(F), 또는 플루오로카본(CFx) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 메타 광학 소자(20)의 황(S), 플루오린(F), 또는 플루오로카본(CFx) 중 적어도 하나는 메타 광학 소자(20)의 나노구조(10)의 표면 및 내부에 포함될 수 있다. 나노구조(10)는, 예를 들어, TiO2를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자(20)가 기존의 물질보다 굴절률이 높은 TiO2를 포함하는 고굴절의 나노구조(10)를 포함할 수 있다. 더하여, 메타 광학 소자(20)는 식각정지층(200)을 더 포함할 수 있어, 오버 에치(over-etch) 공정이 포함되어도 기판(50) 및 나노구조(10)에 손상을 줄이거나 없을 수 있다. 도 8b의 식각마스크(60)는 별도의 과정을 통해 제거될 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자(20)는 메타표면을 포함한 광학 소자일 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자(20)의 기판(50)은 이산화규소(SiO2)를 포함할 수 있으며, 나노구조(10)는 이산화타이타늄(TiO2)을 포함할 수 있다. 또한, 기판(50)과 나노구조(10) 사이의, 예를 들어, 식각정지층(200)은 산화알루미늄(Al2O3)을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자(20)의 나노구조(10)가 포함하는 필러 어레이는 제1 직경 및 제1 주기를 가지는 복수 개의 제1 필러(110A)가 배치된 제1 부분(100A)을 포함할 수 있으며, 또한 제1 부분(100A)과 필러(110)의 직경 또는 주기 중 적어도 하나가 다르며, 제2 직경 및 제2 주기를 가지는 복수 개의 제2 필러(110B)가 배치된 제2 부분(100B)을 포함할 수 있다. 다시 말하면, 제1 주기와 제2 주기는 같으면서 제1 직경과 제2 직경은 서로 다를 수 있으며, 또는 제1 직경과 제2 직경은 같으면서 제1 주기와 제2 주기가 서로 다를 수 있으며, 또는 제1 직경과 제2 직경, 제1 주기와 제2 주기 각각이 서로 다를 수도 있다. 예를 들어, 제2 주기는 제1 주기보다 더 크거나 더 작은 주기를 가질 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자(20)는 TiO2 나노구조(10)를 포함하는 메타표면 광학 소자로 사용될 수 있으며, 투명한 기판(50) 위에 약 2 um 이내의 두께로 패터닝 되어, 상기 투명한 기판(50) 두께 수준인 약 1 mm 이하 두께의 평면 광학 소자(flat optics)를 형성할 수 있다. 평면 광학 소자는 카메라 모듈 등에 들어가는 렌즈 또는 렌즈를 포함하는 광학계로 사용되어 카메라 모듈 자체의 두께 및 사이즈가 감소될 수 있으며, 또한 CIS(Contact Image Sensor) 등에 탑재되어 박형의 이미지 센서를 제공할 수 있고, CMOS 이미지 센서에 배치되는 렌즈를 대체하는 박형의 이미지 센서를 제공할 수 있다. 또는, 메타 광학 소자(20)는 광 변조기 등에 포함되어 빔 스티어링 소자로 사용될 수도 있다.
예시적인 실시예에 따른 메타 광학 소자(20)의 나노구조(10)는 황(S), 플루오린(F), 또는 플루오로카본(CFx) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 도 9a 및 도 9b에 따르면, 스퍼터링 시간에 따른 플루오린(F) 및 황(S)의 원자 농도를 확인할 수 있다. 도 9c 내지 도 9e에 따르면, XPS 분석법을 통해 스퍼터링 시간에 따른 플루오로카본(CFx) 피크값을 알 수 있다. 도 9c는 C1의 경우 XPS 분석 결과를, 도 9d는 C2의 경우 XPS 분석 결과를, 도 9e는 C3의 경우 XPS 분석 결과를 나타낼 수 있다. 도 9a 내지 도 9e에서 C0은 나노구조(10) 형성 시, 플루오린 계열 혼합 가스(G)의 접촉이 없는 부분을 의미하고, C1, C2 및 C3는 플루오린 계열 혼합 가스(G)의 접촉이 있는 부분을 의미한다. 그 중, C1은 소스 파워(source power)와 바이어스 파워(bias power)가 모두 연속파(continuous wave)인 ICP 에칭 모드를 사용한 경우이고, C2는 소스 파워와 바이어스 파워가 각각 연속파 및 펄스파(pulse wave)인 ICP 에칭 모드를 사용한 경우이고, C3는 소스 파워와 바이어스 파워가 모두 펄스파인 ICP 에칭 모드를 사용한 경우이다. 스퍼터링 시간에 따른 플루오린(F) 및 황(S)의 원자 농도는 나노구조(10) 깊이에 따른 플루오린(F) 및 황(S)의 원자 농도에 대응될 수 있다. 예를 들어, 플루오린(F)은 약 0.5 분(min) 동안 스퍼터링된 경우까지 나노구조(10) 표면 및 내부에 위치할 수 있고, 황(S)은 약 1 분(min) 동안 스퍼터링된 경우까지 나노구조(10) 표면 및 내부에 위치할 수 있다. 나노구조(10)의 표면 또는 내부에 위치한 일 단면의 플루오린(F) 함유량은 1 at% 내지 50 at%일 수 있다. 나노구조(10)의 표면 또는 내부에 위치한 일 단면의 황(S) 함유량은 0.1 at% 내지 5 at%일 수 있다. 나노구조(10) 표면 또는 내부에 위치하는 플루오린(F) 및 황(S)은 제1 가스(G1)와 제2 가스(G2)를 이용하여 나노구조(10)를 형성할 때 생긴 부산물일 수 있다. 플루오린(F)는 나노구조(10) 표면에서는 플루오로카본(CFx) 형태로 포함될 수 있으며, 나노구조(10) 내부에서는 메탈플루오라이드(metal-fluoride) 형태로 포함될 수 있다.
도 9c 내지 도 9e에서는 플루오로카본(CFx) 및 메탈플루오라이드의 피크가 나타남에 따라, 나노구조(10)에 플루오로카본(CFx)와 메탈플루오라이드가 포함됨을 알 수 있으며, 스퍼터링 시간은 나노구조(10) 깊이에 대응될 수 있으므로, 일정 깊이까지 플루오로카본(CFx)이 포함됨을 알 수 있다. 나노구조(10)의 표면 또는 내부에 위치한 일 단면의 플루오로카본(CFx) 함유량은 1 at% 내지 50 at%일 수 있다. 나노구조(10)의 표면 또는 내부에 위치하는 플루오로카본(CFx)와 메탈플루오라이드(metal-fluoride)는 제1 가스(G1)와 제2 가스(G2)를 이용하여 나노구조(10)를 형성할 때 생긴 부산물일 수 있다. 플루오린 계열 혼합 가스(G)로 식각된 나노구조(10)는 형성된 나노 패턴에 플루오린(F), 황(S), 또는 플루오로카본(CFx) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 플루오린(F)는 나노구조(10) 표면에서는 플루오로카본(CFx) 형태로 포함될 수 있으며, 나노구조(10) 내"行?* 메탈플루오라이드(metal-fluoride) 형태로 포함될 수 있다.
전술한 메타 광학 소자(20)들은 다양한 전자 장치에 적용될 수 있다. 예를 들어, 스마트폰, 웨어러블 기기, 사물 인터넷(Internet of Things(IoT)) 기기, 가전 기기, 태블릿 PC(Personal Computer), PDA(Personal Digital Assistant), PMP(portable Multimedia Player), 네비게이션(navigation), 드론(drone), 로봇, 무인자동차, 자율주행차, 첨단 운전자 보조 시스템(Advanced Drivers Assistance System; ADAS) 등과 같은 전자 기기에 탑재될 수 있다.
도 10은 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 10을 참조하면, 네트워크 환경(2200)에서 전자 장치(2201)는 제1 네트워크(2298)(근거리 무선 통신 네트워크 등)를 통하여 다른 전자 장치(2202)와 통신하거나, 또는 제2 네트워크(2299)(원거리 무선 통신 네트워크 등)를 통하여 또 다른 전자 장치(2204) 및/또는 서버(2208)와 통신할 수 있다. 전자 장치(2201)는 서버(2208)를 통하여 전자 장치(2204)와 통신할 수 있다. 전자 장치(2201)는 프로세서(2220), 메모리(2230), 입력 장치(2250), 음향 출력 장치(2255), 표시 장치(2260), 오디오 모듈(2270), 센서 모듈(2210), 인터페이스(2277), 햅틱 모듈(2279), 카메라 모듈(2280), 전력 관리 모듈(2288), 배터리(2289), 통신 모듈(2290), 가입자 식별 모듈(2296), 및/또는 안테나 모듈(2297)을 포함할 수 있다. 전자 장치(2201)에는, 이 구성요소들 중 일부(표시 장치(2260) 등)가 생략되거나, 다른 구성요소가 추가될 수 있다. 이 구성요소들 중 일부는 하나의 통합된 회로로 구현될 수 있다. 예를 들면, 센서 모듈(2210)의 지문 센서(2211)나 또는, 홍채 센서, 조도 센서 등은 표시 장치(2260)(디스플레이 등)에 임베디드되어 구현될 수 있다.
프로세서(2220)는, 소프트웨어(프로그램(2240) 등)를 실행하여 프로세서(2220)에 연결된 전자 장치(2201) 중 하나 또는 복수개의 다른 구성요소들(하드웨어, 소프트웨어 구성요소 등)을 제어할 수 있고, 다양한 데이터 처리 또는 연산을 수행할 수 있다. 데이터 처리 또는 연산의 일부로, 프로세서(2220)는 다른 구성요소(센서 모듈(2210), 통신 모듈(2290) 등)로부터 수신된 명령 및/또는 데이터를 휘발성 메모리(2232)에 로드하고, 휘발성 메모리(2232)에 저장된 명령 및/또는 데이터를 처리하고, 결과 데이터를 비휘발성 메모리(2234)에 저장할 수 있다. 프로세서(2220)는 메인 프로세서(2221)(중앙 처리 장치, 어플리케이션 프로세서 등) 및 이와 독립적으로 또는 함께 운영 가능한 보조 프로세서(2223)(그래픽 처리 장치, 이미지 시그널 프로세서, 센서 허브 프로세서, 커뮤니케이션 프로세서 등)를 포함할 수 있다. 보조 프로세서(2223)는 메인 프로세서(2221)보다 전력을 작게 사용하고, 특화된 기능을 수행할 수 있다.
보조 프로세서(2223)는, 메인 프로세서(2221)가 인액티브 상태(슬립 상태)에 있는 동안 메인 프로세서(2221)를 대신하여, 또는 메인 프로세서(2221)가 액티브 상태(어플리케이션 실행 상태)에 있는 동안 메인 프로세서(2221)와 함께, 전자 장치(2201)의 구성요소들 중 일부 구성요소(표시 장치(2260), 센서 모듈(2210), 통신 모듈(2290) 등)와 관련된 기능 및/또는 상태를 제어할 수 있다. 보조 프로세서(2223)(이미지 시그널 프로세서, 커뮤니케이션 프로세서 등)는 기능적으로 관련 있는 다른 구성 요소(카메라 모듈(2280), 통신 모듈(2290) 등)의 일부로서 구현될 수도 있다.
메모리(2230)는, 전자 장치(2201)의 구성요소(프로세서(2220), 센서모듈(2276) 등)가 필요로 하는 다양한 데이터를 저장할 수 있다. 데이터는, 예를 들어, 소프트웨어(프로그램(2240) 등) 및, 이와 관련된 명령에 대한 입력 데이터 및/또는 출력 데이터를 포함할 수 있다. 메모리(2230)는, 휘발성 메모리(2232) 및/또는 비휘발성 메모리(2234)를 포함할 수 있다.
프로그램(2240)은 메모리(2230)에 소프트웨어로 저장될 수 있으며, 운영 체제(2242), 미들 웨어(2244) 및/또는 어플리케이션(2246)을 포함할 수 있다.
입력 장치(2250)는, 전자 장치(2201)의 구성요소(프로세서(2220) 등)에 사용될 명령 및/또는 데이터를 전자 장치(2201)의 외부(사용자 등)로부터 수신할 수 있다. 입력 장치(2250)는, 마이크, 마우스, 키보드, 및/또는 디지털 펜(스타일러스 펜 등)을 포함할 수 있다.
음향 출력 장치(2255)는 음향 신호를 전자 장치(2201)의 외부로 출력할 수 있다. 음향 출력 장치(2255)는, 스피커 및/또는 리시버를 포함할 수 있다. 스피커는 멀티미디어 재생 또는 녹음 재생과 같이 일반적인 용도로 사용될 수 있고, 리시버는 착신 전화를 수신하기 위해 사용될 수 있다. 리시버는 스피커의 일부로 결합되어 있거나 또는 독립된 별도의 장치로 구현될 수 있다.
표시 장치(2260)는 전자 장치(2201)의 외부로 정보를 시각적으로 제공할 수 있다. 표시 장치(2260)는, 디스플레이, 홀로그램 장치, 또는 프로젝터 및 해당 장치를 제어하기 위한 제어 회로를 포함할 수 있다. 표시 장치(2260)는 터치를 감지하도록 설정된 터치 회로(Touch Circuitry), 및/또는 터치에 의해 발생되는 힘의 세기를 측정하도록 설정된 센서 회로(압력 센서 등)를 포함할 수 있다.
오디오 모듈(2270)은 소리를 전기 신호로 변환시키거나, 반대로 전기 신호를 소리로 변환시킬 수 있다. 오디오 모듈(2270)은, 입력 장치(2250)를 통해 소리를 획득하거나, 음향 출력 장치(2255), 및/또는 전자 장치(2201)와 직접 또는 무선으로 연결된 다른 전자 장치(전자 장치(2102) 등)의 스피커 및/또는 헤드폰을 통해 소리를 출력할 수 있다.
센서 모듈(2210)은 전자 장치(2201)의 작동 상태(전력, 온도 등), 또는 외부의 환경 상태(사용자 상태 등)를 감지하고, 감지된 상태에 대응하는 전기 신호 및/또는 데이터 값을 생성할 수 있다. 센서 모듈(2210)은, 지문 센서(2211), 가속도 센서(2212), 위치 센서(2213), 3D 센서(2214)등을 포함할 수 있고, 이 외에도 홍채 센서, 자이로 센서, 기압 센서, 마그네틱 센서, 그립 센서, 근접 센서, 컬러 센서, IR(Infrared) 센서, 생체 센서, 온도 센서, 습도 센서, 및/또는 조도 센서를 포함할 수 있다.
3D 센서(2214)는 대상체에 소정의 광을 조사하고 대상체에서 반사된 광을 분석하여 대상체의 형상, 움직임등을 센싱하는 것으로, 도 1 내지 도 9e를 참조하여 설명한 메타 광학 소자(20)들 중 어느 하나를 구비할 수 있다.
인터페이스(2277)는 전자 장치(2201)가 다른 전자 장치(전자 장치(2102) 등)와 직접 또는 무선으로 연결되기 위해 사용될 수 있는 하나 이상의 지정된 프로토콜들을 지원할 수 있다. 인터페이스(2277)는, HDMI(High Definition Multimedia Interface), USB(Universal Serial Bus) 인터페이스, SD카드 인터페이스, 및/또는 오디오 인터페이스를 포함할 수 있다.
연결 단자(2278)는, 전자 장치(2201)가 다른 전자 장치(전자 장치(2102) 등)와 물리적으로 연결될 수 있는 커넥터를 포함할 수 있다. 연결 단자(2278)는, HDMI 커넥터, USB 커넥터, SD 카드 커넥터, 및/또는 오디오 커넥터(헤드폰 커넥터 등)를 포함할 수 있다.
햅틱 모듈(2279)은 전기적 신호를 사용자가 촉각 또는 운동 감각을 통해서 인지할 수 있는 기계적인 자극(진동, 움직임 등) 또는 전기적인 자극으로 변환할 수 있다. 햅틱 모듈(2279)은, 모터, 압전 소자, 및/또는 전기 자극 장치를 포함할 수 있다.
카메라 모듈(2280)은 정지 영상 및 동영상을 촬영할 수 있다. 카메라 모듈(2280)은 하나 이상의 렌즈를 포함하는 렌즈 어셈블리, 이미지 센서들, 이미지 시그널 프로세서들, 및/또는 플래시들을 포함할 수 있다. 카메라 모듈(2280)에 포함된 렌즈 어셈블리는 이미지 촬영의 대상인 피사체로부터 방출되는 빛을 수집할 수 있으며, 이러한 렌즈 어셈블리에는 따른 도 1 내지 도 9e를 참조하여 설명한 메타 광학 소자(20)들 중 어느 하나가 포함될 수 있다.
전력 관리 모듈(2288)은 전자 장치(2201)에 공급되는 전력을 관리할 수 있다. 전력 관리 모듈(388)은, PMIC(Power Management Integrated Circuit)의 일부로서 구현될 수 있다.
배터리(2289)는 전자 장치(2201)의 구성 요소에 전력을 공급할 수 있다. 배터리(2289)는, 재충전 불가능한 1차 전지, 재충전 가능한 2차 전지 및/또는 연료 전지를 포함할 수 있다.
통신 모듈(2290)은 전자 장치(2201)와 다른 전자 장치(전자 장치(2102), 전자 장치(2104), 서버(2108) 등)간의 직접(유선) 통신 채널 및/또는 무선 통신 채널의 수립, 및 수립된 통신 채널을 통한 통신 수행을 지원할 수 있다. 통신 모듈(2290)은 프로세서(2220)(어플리케이션 프로세서 등)와 독립적으로 운영되고, 직접 통신 및/또는 무선 통신을 지원하는 하나 이상의 커뮤니케이션 프로세서를 포함할 수 있다. 통신 모듈(2290)은 무선 통신 모듈(2292)(셀룰러 통신 모듈, 근거리 무선 통신 모듈, GNSS(Global Navigation Satellite System 등) 통신 모듈) 및/또는 유선 통신 모듈(2294)(LAN(Local Area Network) 통신 모듈, 전력선 통신 모듈 등)을 포함할 수 있다. 이들 통신 모듈 중 해당하는 통신 모듈은 제1 네트워크(2298)(블루투스, WiFi Direct 또는 IrDA(Infrared Data Association) 같은 근거리 통신 네트워크) 또는 제2 네트워크(2299)(셀룰러 네트워크, 인터넷, 또는 컴퓨터 네트워크(LAN, WAN 등)와 같은 원거리 통신 네트워크)를 통하여 다른 전자 장치와 통신할 수 있다. 이런 여러 종류의 통신 모듈들은 하나의 구성 요소(단일 칩 등)로 통합되거나, 또는 서로 별도의 복수의 구성 요소들(복수 칩들)로 구현될 수 있다. 무선 통신 모듈(2292)은 가입자 식별 모듈(2296)에 저장된 가입자 정보(국제 모바일 가입자 식별자(IMSI) 등)를 이용하여 제1 네트워크(2298) 및/또는 제2 네트워크(2299)와 같은 통신 네트워크 내에서 전자 장치(2201)를 확인 및 인증할 수 있다.
안테나 모듈(2297)은 신호 및/또는 전력을 외부(다른 전자 장치 등)로 송신하거나 외부로부터 수신할 수 있다. 안테나는 기판(PCB 등) 위에 형성된 도전성 패턴으로 이루어진 방사체를 포함할 수 있다. 안테나 모듈(2297)은 하나 또는 복수의 안테나들을 포함할 수 있다. 복수의 안테나가 포함된 경우, 통신 모듈(2290)에 의해 복수의 안테나들 중에서 제1 네트워크(2298) 및/또는 제2 네트워크(2299)와 같은 통신 네트워크에서 사용되는 통신 방식에 적합한 안테나가 선택될 수 있다. 선택된 안테나를 통하여 통신 모듈(2290)과 다른 전자 장치 간에 신호 및/또는 전력이 송신되거나 수신될 수 있다. 안테나 외에 다른 부품(RFIC 등)이 안테나 모듈(2297)의 일부로 포함될 수 있다.
구성요소들 중 일부는 주변 기기들간 통신 방식(버스, GPIO(General Purpose Input and Output), SPI(Serial Peripheral Interface), MIPI(Mobile Industry Processor Interface) 등)을 통해 서로 연결되고 신호(명령, 데이터 등)를 상호 교환할 수 있다.
명령 또는 데이터는 제2 네트워크(2299)에 연결된 서버(2108)를 통해서 전자 장치(2201)와 외부의 전자 장치(2204)간에 송신 또는 수신될 수 있다. 다른 전자 장치들(2202, 2204)은 전자 장치(2201)와 동일한 또는 다른 종류의 장치일 수 있다. 전자 장치(2201)에서 실행되는 동작들의 전부 또는 일부는 다른 전자 장치들(2202, 2204, 2208) 중 하나 이상의 장치들에서 실행될 수 있다. 예를 들면, 전자 장치(2201)가 어떤 기능이나 서비스를 수행해야 할 때, 기능 또는 서비스를 자체적으로 실행시키는 대신에 하나 이상의 다른 전자 장치들에게 그 기능 또는 그 서비스의 일부 또는 전체를 수행하라고 요청할 수 있다. 요청을 수신한 하나 이상의 다른 전자 장치들은 요청과 관련된 추가 기능 또는 서비스를 실행하고, 그 실행의 결과를 전자 장치(2201)로 전달할 수 있다. 이를 위하여, 클라우드 컴퓨팅, 분산 컴퓨팅, 및/또는 클라이언트-서버 컴퓨팅 기술이 이용될 수 있다.
도 11은 도 10의 전자 장치에 구비되는 카메라 모듈의 개략적인 구성을 예시적으로 보이는 블록도이다.
도 11을 참조하면, 카메라 모듈(2280)은 렌즈 어셈블리(2310), 플래쉬(2320), 이미지 센서(2330), 이미지 스태빌라이저(2340), 메모리(2350)(버퍼 메모리 등), 및/또는 이미지 시그널 프로세서(2360)를 포함할 수 있다. 렌즈 어셈블리(2310)는 이미지 촬영의 대상인 피사체로부터 방출되는 빛을 수집할 수 있으며, 도 1 내지 도 9e를 참조하여 설명한 메타 광학 소자(20)들 중 어느 하나가 포함될 수 있다. 렌즈 어셈블리(2310)는 하나 이상의 굴절 렌즈와 광학 소자를 포함할 수 있다. 이에 구비되는 광학 소자는 넓은 파장 대역에 대해 일정한 집광 효율을 나타내는 타겟 위상 지연 프로파일을 가지는 렌즈로 설계될 수 있다. 이러한 광학 소자를 구비하는 렌즈 어셈블리(2310)는 원하는 광학 성능을 구현하며 짧은 광학 전장을 가질 수 있다.
카메라 모듈(2280)은 이외에도, 액츄에이터를 더 구비할 수 있다. 액츄에이터는 예를 들어, 주밍(zooming) 및/또는 오토포커스(AF)를 위해 렌즈 어셈블리(2310)를 구성하는 렌즈 요소들의 위치를 구동하고 렌즈 요소들간 이격 거리를 조절할 수 있다.
카메라 모듈(2280)은 복수의 렌즈 어셈블리(2310)들을 포함할 수도 있으며, 이런 경우, 카메라 모듈(2280)은, 듀얼 카메라, 360도 카메라, 또는 구형 카메라(Spherical Camera)가 될 수 있다. 복수의 렌즈 어셈블리(2310)들 중 일부는 동일한 렌즈 속성(화각, 초점 거리, 자동 초점, F 넘버(F Number), 광학 줌 등)을 갖거나, 또는 다른 렌즈 속성들을 가질 수 있다. 렌즈 어셈블리(2310)는, 광각 렌즈 또는 망원 렌즈를 포함할 수 있다.
플래쉬(2320)는 피사체로부터 방출 또는 반사되는 빛을 강화하기 위하여 사용되는 빛을 방출할 수 있다. 플래쉬(2320)는 하나 이상의 발광 다이오드들(RGB(Red-Green-Blue) LED, White LED, Infrared LED, Ultraviolet LED 등), 및/또는 Xenon Lamp를 포함할 수 있다.
이미지 센서(2330)는 도 1 내지 도 9e를 참조하여 설명한 메타 광학 소자(20)들을 포함하는 이미지 센서일 수 있으며, 피사체로부터 방출 또는 반사되어 렌즈 어셈블리(2310)를 통해 전달된 빛을 전기적인 신호로 변환함으로써, 피사체에 대응하는 이미지를 획득할 수 있다. 이미지 센서(2330)는, RGB 센서, BW(Black and White) 센서, IR 센서, 또는 UV 센서와 같이 속성이 다른 이미지 센서들 중 선택된 하나 또는 복수의 센서들을 포함할 수 있다. 이미지 센서(2330)에 포함된 각각의 센서들은, CCD(Charged Coupled Device) 센서 및/또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 센서로 구현될 수 있다.
이미지 스태빌라이저(2340)는 카메라 모듈(2280) 또는 이를 포함하는 전자 장치(2301)의 움직임에 반응하여, 렌즈 어셈블리(2310)에 포함된 하나 또는 복수개의 렌즈 또는 이미지 센서(2330)를 특정한 방향으로 움직이거나 이미지 센서(2330)의 동작 특성을 제어(리드 아웃(Read-Out) 타이밍의 조정 등)하여 움직임에 의한 부정적인 영향이 보상되도록 할 수 있다. 이미지 스태빌라이저(2340)는 카메라 모듈(2280)의 내부 또는 외부에 배치된 자이로 센서(미도시) 또는 가속도 센서(미도시)를 이용하여 카메라 모듈(2280) 또는 전자 장치(2301)의 움직임을 감지할 수 있다. 이미지 스태빌라이저(2340)는, 광학식으로 구현될 수도 있다.
메모리(2350)는 이미지 센서(2330)를 통하여 획득된 이미지의 일부 또는 전체 데이터가 다음 이미지 처리 작업을 위하여 저장할 수 있다. 예를 들어, 복수의 이미지들이 고속으로 획득되는 경우, 획득된 원본 데이터(Bayer-Patterned 데이터, 고해상도 데이터 등)는 메모리(2350)에 저장하고, 저해상도 이미지만을 디스플레이 해준 후, 선택된(사용자 선택 등) 이미지의 원본 데이터가 이미지 시그널 프로세서(2360)로 전달되도록 하는데 사용될 수 있다. 메모리(2350)는 전자 장치(2201)의 메모리(2230)로 통합되어 있거나, 또는 독립적으로 운영되는 별도의 메모리로 구성될 수 있다.
이미지 시그널 프로세서(2360)는 이미지 센서(2330)를 통하여 획득된 이미지 또는 메모리(2350)에 저장된 이미지 데이터에 대하여 하나 이상의 이미지 처리들을 수행할 수 있다. 하나 이상의 이미지 처리들은, 깊이 지도(Depth Map) 생성, 3차원 모델링, 파노라마 생성, 특징점 추출, 이미지 합성, 및/또는 이미지 보상(노이즈 감소, 해상도 조정, 밝기 조정, 블러링(Blurring), 샤프닝(Sharpening), 소프트닝(Softening) 등)을 포함할 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(2360)는 카메라 모듈(2280)에 포함된 구성 요소들(이미지 센서(2330) 등)에 대한 제어(노출 시간 제어, 또는 리드 아웃 타이밍 제어 등)를 수행할 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(2360)에 의해 처리된 이미지는 추가 처리를 위하여 메모리(2350)에 다시 저장 되거나 카메라 모듈(2280)의 외부 구성 요소(메모리(2230), 표시 장치(2260), 전자 장치(2202), 전자 장치(2204), 서버(2208) 등)로 제공될 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(2360)는 프로세서(2220)에 통합되거나, 프로세서(2220)와 독립적으로 운영되는 별도의 프로세서로 구성될 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(2360)가 프로세서(2220)와 별도의 프로세서로 구성된 경우, 이미지 시그널 프로세서(2360)에 의해 처리된 이미지는 프로세서(2220)에 의하여 추가의 이미지 처리를 거친 후 표시 장치(2260)를 통해 표시될 수 있다.
전자 장치(2201)는 각각 다른 속성 또는 기능을 가진 복수의 카메라 모듈(2280)들을 포함할 수 있다. 이런 경우, 복수의 카메라 모듈(2280)들 중 하나는 광각 카메라이고, 다른 하나는 망원 카메라일 수 있다. 유사하게, 복수의 카메라 모듈(2280)들 중 하나는 전면 카메라이고, 다른 하나는 후면 카메라일 수 있다.
도 12은 도 11의 전자 장치에 구비되는 3D 센서의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
3D 센서(2214)는 대상체에 소정의 광을 조사하고 대상체에서 반사된 광을 수신, 분석하여 대상체의 형상, 움직임등을 센싱하는 것이다. 3D 센서(2214)는 광원(2420), 광학 소자(2410), 광 검출부(2430), 신호처리부(2440) 메모리(2450)를 포함한다. 광학 소자(2410)로는 도 1 내지 도 9e를 참조하여 설명한 메타 광학 소자(20)들 중 어느 하나가 채용될 수 있고, 빔 디플렉터 또는 빔 쉐이퍼로 기능하도록 타겟 위상 지연 프로파일이 설정될 수 있다.
광원(2420)은 대상체의 형상이나 위치 분석에 사용할 광을 조사한다. 광원(2420)은 소장 파장의 광을 생성, 조사하는 광원을 포함할 수 있다. 광원(2420)은 대상체의 위치, 형상 분석에 적합한 파장 대역의 광, 예를 들어, 적외선 대역 파장의 광을 생성 조사하는 LD(laser diode), LED(light emitting diode), SLD(super luminescent diode)등의 광원을 포함할 수 있다. 광원(2420)은 파장 가변의 레이저 다이오드일 수 있다. 광원(2420)은 복수의 서로 다른 파장 대역의 광을 생성 조사할 수도 있다. 광원(2420)은 펄스광 또는 연속광을 생성 조사할 수 있다.
광학 소자(2410)는 광원(1100)에서 조사한 광을 변조하여 대상체로 전달한다. 광학 소자(2410)가 빔 디플렉터인 경우, 광학 소자(2410)는 입사광을 소정 방향으로 편향시켜 대상체를 향하게 할 수 있다. 광학 소자(2410)가 빔 쉐이퍼인 경우, 광학 소자(2410)는 입사광이 소정 패턴을 가지는 분포를 갖도록 입사광을 변조한다. 광학 소자(2410)는 3차원 형상 분석에 적합한 구조광(structured light)을 형성할 수도 있다.
광학 소자(2410)는 전술한 바와 같이, 광대역의 파장에 대해 일정한 회절 효율을 나타낼 수 있다. 따라서, 정확성이 향상된 빔 스티어링이 가능하고 또는 파장에 따른 편차가 없는 원하는 빔 패턴을 형성할 수도 있다.
광검출부(2430)는 광학 소자(2410)를 경유하여 대상체에 조사된 광의 반사광을 수신한다. 광검출부(24430)는 광을 센싱하는 복수의 센서들의 어레이를 포함할 수 있고 또는 하나의 센서만으로 이루어질 수도 있다.
신호처리부(2440)는 광검출부(2430)에서 센싱된 신호를 처리하여 대상체의 형상 등을 분석할 수 있다. 신호처리부(2440)는 대상체의 깊이 위치를 포함하는 3차원 형상을 분석할 수 있다.
3차원 형상 분석을 위해, 광 비행 시간(Time of Flight) 측정을 위한 연산이 수행될 수 있다. 광비행시간 측정을 위해 다양한 연산법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 직접 시간 측정 방법은 대상체에 펄스광을 투사하고 피사체에 반사되어 광이 돌아오는 시간을 타이머로 측정하여 거리를 구한다. 상관법(correlation)은 펄스광을 대상체에 투사하고 대상체로부터 반사되어 돌아오는 반사광의 밝기로부터 거리를 측정한다. 위상지연 측정 방법은 사인파와 같은 연속파(continuous wave) 광을 대상체에 투사하고 반사되어 돌아오는 반사광의 위상차를 감지하여 거리로 환산하는 방법이다.
대상체에 구조광이 조사된 경우, 대상체에서 반사된 구조광의 패턴 변화, 즉, 입사된 구조광 패턴과 비교한 결과로부터 대상체의 깊이 위치를 연산할 수 있다. 대상체에서 반사된 구조광의 좌표별 패턴 변화를 추적하여 대상체의 깊이 정보를 추출할 수 있고, 이로부터 대상체의 형상, 움직임과 관련된 3차원 정보를 추출할 수 있다.
메모리(2450)에는 신호처리부(2440)의 연산에 필요한 프로그램 및 기타 데이터들이 저장될 수 있다.
신호처리부(2440)에서의 연산 결과, 즉, 대상체의 형상, 위치에 대한 정보는 전자 장치(2200)내의 다른 유닛으로 또는 다른 전자 장치로 전송될 수 있다. 예를 들어, 메모리(2230)에 저장된 어플리케이션(2246)에서 이러한 정보가 사용될 수 있다. 결과가 전송되는 다른 전자 장치는 결과를 출력하는 디스플레이 장치나 프린터일 수도 있다. 이외에도, 무인자동차, 자율주행차, 로봇, 드론 등과 같은 자율 구동 기기, 스마트 폰(smart phone), 스마트 워치(smart watch), 휴대폰, PDA(personal digital assistant), 랩톱(laptop), PC, 다양한 웨어러블(wearable) 기기, 기타 모바일 또는 비모바일 컴퓨팅 장치 및 사물 인터넷 기기일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
상술한 광학 소자 및 이를 포함하는 전자 장치는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 명세서의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 나노구조 20: 메타 광학 소자
50: 기판 60: 식각마스크
100: 패턴층 100A: 제1 부분
100B: 제2 부분 110: 필러
110A: 제1 필러 110B: 제2 필러
111: 측벽
120: 트렌치 121: 트렌치 바닥면
200: 식각정지층
210: 제1 식각정지층 220: 제2 식각정지층
G: 플루오린 계열 혼합 가스 G1: 제1 가스
G2: 제2 가스
d1: 제1 식각 깊이 d2: 제2 식각 깊이

Claims (20)

  1. 기판; 및
    상기 기판 상에 배열된 필러 어레이(pillar array) 또는 홀 어레이(hole array)를 포함하는 나노구조;를 포함하고,
    상기 나노구조는 제1 직경 및 제1 주기를 가지는 복수 개의 제1 필러가 배치된 제1 부분 및 상기 제1 부분과 직경 또는 주기 중 적어도 하나가 다르며, 제2 직경 및 제2 주기를 가지는 복수 개의 제2 필러가 배치된 제2 부분을 포함하며,
    상기 제1 부분의 식각 깊이에 대한 상기 제2 부분의 식각 깊이의 비율은 0.9 내지 1.1이며,
    상기 나노구조의 표면 또는 내부에 황(S), 플루오린(F), 또는 플루오로카본(CFx) 중 적어도 하나를 포함하는 메타 광학 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 나노구조의 표면 또는 내부에 위치한 일 단면의 황(S) 함유량은 0.1 at% 내지 5 at%,
    상기 나노구조의 표면 또는 내부에 위치한 일 단면의 플루오린(F) 함유량은 1 at% 내지 50 at%, 또는
    상기 나노구조의 표면 또는 내부에 위치한 일 단면의 플루오로카본(CFX) 함유량은 1 at% 내지 50 at%인 메타 광학 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 메타 광학 소자는 1mm 이하의 두께를 갖는 메타 광학 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 나노구조의 주기는 150 nm 내지 500 nm 이며,
    상기 나노구조에 포함된 상기 복수 개의 제1 필러 및 제2 필러 중 일 필러의 단면의 폭은 50 nm 내지 350 nm 이며,
    상기 나노구조에 포함된 상기 복수 개의 제1 필러 및 제2 필러 중 일 필러의 높이는 200 nm 내지 2000 nm이며,
    상기 나노구조가 포함된 상기 복수 개의 제1 필러 및 제2 필러 중 일 필러의 종횡비는 1:5 이상인 메타 광학 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 나노구조는 가시광선 영역에서 굴절률이 2 이상이고, 소멸 계수가 1 x 10-5 이하인 물질을 포함하는 메타 광학 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 나노구조는 TiO2를 포함하는 메타 광학 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기판과 상기 나노구조 사이에 제1 식각정지층을 더 포함하며,
    육플루오린화 황(SF6) 및 옥타플루오로사이클로부텐(C4H8)을 포함하는 플루오린 계열 혼합 가스에 의한 상기 제1 식각정지층의 식각 속도는 나노구조가 포함하는 물질의 식각 속도의 1/5배보다 작은 메타 광학 소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 식각정지층의 가시광선 영역에서 소멸 계수는 1 x 10-5 이하이며,
    상기 제1 식각정지층의 굴절률은 상기 제1 식각정지층 상부에 배치된 물질의 굴절률과 상기 제1 식각정지층 하부에 배치된 물질의 굴절률 사이의 값을 가지며,
    상기 제1 식각정지층은 메타표면에서 일어나는 가시광선 영역 광 반사를 줄이도록 구성된 두께를 가지는 메타 광학 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 식각정지층은 10 nm 내지 120 nm의 두께를 가지며,
    상기 제1 식각정지층은 Al2O3, HfO2, SiON, AlON, Y2O3, Si3N4, ZnO, Ta2O5, ZrO2, AlN, Nb2O5 중 적어도 하나를 포함하는 메타 광학 소자.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제1 식각정지층과 상기 나노구조 사이에 상기 제1 식각정지층의 물질과 다른 물질을 더 포함하는 메타 광학 소자.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 메타 광학 소자;를 포함하는 전자 장치
  12. 패턴층을 포함하는 기판을 준비하는 단계;
    식각마스크로 상기 패턴층의 소정 부분을 덮는 단계; 및
    상기 패턴층의 식각을 유도하는 제1 가스 및 상기 패턴층의 식각 속도를 늦추는 역할을 하는 제2 가스를 포함하는 플루오린 계열 혼합 가스를 이용하여 상기 패턴층을 식각하여 나노구조를 형성하는 단계;를 포함하는 메타표면 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 가스는 육플루오린화 황(SF6)이고,
    상기 제2 가스는 옥타플루오로사이클로부텐(C4F8)이며,
    상기 제2 가스는 상기 패턴층에 패시베이션 형성 또는 폴리머 형성을 유도하며,
    상기 식각은 플라즈마 건식 식각 방식의 유도 결합 플라즈마 에칭(Inductively Coupled Plasma(ICP) Etching), 또는 용량 결합 플라즈마 에칭(Capacitively Coupled Plasma(CCP) Etching) 중 적어도 하나를 포함하는 메타표면 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 형성 단계에서,
    황(S), 플루오린(F), 또는 플루오로카본(CFx) 중 적어도 하나가 상기 나노구조의 표면에 배치되거나, 또는 상기 나노구조의 내부에 주입되는 메타표면 제조방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 나노구조는 복수 개의 필러(pillar)를 가지는 필러 어레이(pillar array) 또는 홀 어레이(hole array)를 포함하며,
    상기 나노구조의 주기는 150 nm 내지 500 nm을 가지도록 형성되며,
    상기 나노구조에 포함된 상기 복수 개의 필러 중 일 필러의 단면의 폭은 50 nm 내지 350 nm이며,
    상기 나노구조에 포함된 상기 복수 개의 필러 중 일 필러의 높이는 200 nm 내지 2000 nm 이며,
    상기 나노구조에 포함된 상기 복수 개의 필러 중 일 필러의 종횡비는 1:5 이상인 메타표면 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 필러 어레이는 제1 직경 및 제1 주기를 가지는 복수 개의 제1 필러가 배치된 제1 부분 및 상기 제1 부분과 직경 또는 주기 중 적어도 하나가 다르며, 제2 직경 및 제2 주기를 가지는 복수 개의 제2 필러가 배치된 제2 부분을 포함하며,
    상기 제1 가스와 상기 제2 가스의 혼합 비율은,
    상기 제1 부분의 식각 깊이에 대한 상기 제2 부분의 식각 깊이의 비율이 0.9 내지 1.1이 되도록 하는 비율인 메타표면 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 가스와 상기 제2 가스의 혼합 비율은,
    상기 제1 부분에 형성된 복수 개의 필러의 직경, 상기 제1 부분에 형성된 복수 개의 필러의 주기, 상기 제1 부분에 형성된 복수 개의 필러의 종횡비, 상기 제2 부분에 형성된 복수 개의 필러의 직경, 상기 제2 부분에 형성된 복수 개의 필러의 주기, 또는 상기 제2 부분에 형성된 복수 개의 필러의 종횡비 중 적어도 하나에 기초하여 결정되는 메타표면 제조방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 제1 가스와 상기 제2 가스의 혼합 비율은,
    상기 복수 개의 제1 필러 및 제2 필러 중 적어도 하나의 측벽이 상기 기판과 실질적으로 수직이 되도록 하는 비율인 메타표면 제조방법.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 패턴층은 TiO2를 포함하는 메타표면 제조방법.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 패턴층을 포함하는 기판은 상기 기판과 상기 패턴층 사이에 배치되고, 가시광선 영역 광 반사를 줄이도록 구성된 두께를 가지는 제1 식각정지층을 더 포함하며,
    상기 형성 단계에서 상기 제1 식각정지층이 식각되지 않거나 또는 일부 식각되는 메타표면 제조방법.
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