KR20230127028A - 초박형 마이크로 분광기 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 초박형 마이크로 분광기 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 볼록렌즈; 및 상기 볼록렌즈의 후면에 형성되고, 반사형 회절격자부 및 제1 평면반사부가 동일 면에 배열된 후면반사 회절격자층을 포함하는 렌즈부; 상기 렌즈부와 이격되어 배치되고, 광입사 마이크로 슬릿이 형성된 기판층; 상기 기판층 상에 형성된 제2 평면반사부; 및 상기 렌즈부에서 반사된 광이 집속되는 CMOS 센서; 를 포함하는 것인, 초박형 마이크로 분광기 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은, 초박형 마이크로 분광기 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
회절격자 기반 분광기는, 입사한 빛이 검출부에 도달하기 위해 광시준(collimation), 회절(diffraction), 집속(focusing)의 과정을 거치며, 입사부, 반사부, 회절격자 등의 광학부품들을 체르니 터너/패시티-에버트(Czerny-Turner/Fastie-Ebert) 구조 등의 보편적인 배치를 통해 검출부로 측정할 수 있다. 광학 부품들의 정밀 배치 과정에서 매우 낮은 분광분해능을 가지며, 최소한의 광경로 확보를 위해 부피가 필연적으로 커질 수밖에 없다. 최근에는 회절격자 기반 분광기의 소형화가 제안되었으며, 이는 기존 분광장치의 소형화를 위해, 미세공정을 통해 광학부품들의 소형화 및 구조개선을 진행하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 분광분야에서 대표적으로 사용되는 곡면 회절격자(Concave grating) 구조는, 광시준, 회절, 집속의 역할을 동시에 수행하여 입사부로부터 검출부까지의 광경로를 최소화하여 분광장치의 소형화가 가능할 수 있으나, 곡면 회절 격자 분광기의 경우 파장에 따른 초점의 형성이 원형분포(Rowland profile)를 이루므로, 선형의 검출부에서 측정되는 분광분해능이 떨어지고, 불균일한 민감도를 가져 전체적인 분광 성능이 저하될 수 있다.
본 발명은, 상기 언급한 문제점을 해결하기 위해서, 후면반사 회절 격자구조(Back-reflection Grating Structure)를 활용하여 기존 곡면 회절격자 분광기 대비 향상된 분광 분해능 및 균일한 민감도를 나타낼 수 있는, 초박형 마이크로 분광기를 제공하는 것이다.
본 발명은, 대면적 미세공정을 통해 회절격자, 반사부, 입사부 등의 광학부품들을 제작할 수 있으며, 이를 통해 저비용의 양산가능한 초박형 마이크로 분광기를 제공할 수 있는, 초박형 마이크로 분광기의 제조방법을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 볼록렌즈; 및 상기 볼록렌즈의 후면에 형성되고, 반사형 회절격자부 및 제1 평면반사부가 동일 면에 배열된 후면반사 회절격자층을 포함하는 렌즈부; 상기 렌즈부와 이격되어 배치되고, 광입사 마이크로 슬릿이 형성된 기판층; 상기 기판층 상에 형성된 제2 평면반사부; 및 상기 렌즈부에서 반사된 광이 집속되는 CMOS 센서; 를 포함하는, 초박형 마이크로 분광기에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 후면반사 회절격자층은, 베이스 기판; 상기 베이스 기판의 일면에 형성된 반사형 회절격자부 영역 및 상기 반사형 회절격자부 영역과 동일한 면에 형성된 제1 평면반사부 영역을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 회절격자는, 상기 베이스 기판 상에 형성된 복수개의 선형 패턴이며, 상기 선형 패턴은, 투명 산화물을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 제1 평면반사부 및 상기 반사형 회절격자부는, 금속 코팅층을 포함하고, 상기 반사형 회절격자부는, 상기 제1 평면반사부와 동일하거나 또는 상이한 금속 코팅층을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 금속 코팅층은, 은(Ag), 팔라듐(Pd), 금 (Au), 구리 (Cu), 비스무트 (Bi), 게르마늄 (Ge), 갈륨 (Ga), 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 금속 코팅층의 두께는, 50 ㎛ 내지 100 ㎛이고, 상기 금속 코팅층은, 단일층 또는 복수층인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 선형 패턴은, 1 ㎛ 내지 2 ㎛ 주기(Period), 100 nm 내지 200 nm 높이 및 500 nm 내지 900 nm 선 두께 및 0.4 내지 0.5 듀티 사이클(Duty cycle) 중 적어도 하나 이상을 포함하고, 상기 선형 패턴의 단면은, 직사각형, 정사각형, 렌즈형, 반원형 및 삼각형 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 베이스 기판은, 투명 기판이며, 상기 투명 기판은, 유리, 사파이어, 투명 웨이퍼 및 투명 플라스틱 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 마이크로 슬릿은, 상기 제1 평면반사부로 광 입사하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 마이크로 슬릿과 상기 제1 평면반사부 간의 거리는, 4 mm 내지 8 mm인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 마이크로 슬릿을 통해 입사된 광은, 상기 제1 평면반사부에서 상기 제2 평면반사부로 시준되고, 상기 제2 평면반사부에서 반사된 광은, 상기 후면반사 회절격자층를 통해 CMOS 센서로 집속되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 CMOS 센서에 집속되는 광은, 350 nm 내지 800 nm 파장의 가시광선이고, 다중 파장의 광이 집속되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 후면반사 회절격자층을 형성하는 단계; 및 렌즈 상에 상기 후면반사 회절격자층을 배치하는 단계; 를 포함하고, 상기 후면반사 회절격자층을 형성하는 단계는, 베이스 기판을 준비하는 단계; 상기 베이스 기판 상에 산화물층을 형성하는 단계; 상기 산화물층의 적어도 일부분에 포토레지스트층을 형성하는 단계; 상기 포토레지스트층에 포토리소그래피 공정을 진행하는 단계; 상기 산화물층을 패터닝하여 회절격자 구조를 형성하는 단계; 및 상기 산화물층 상에 포토레지스트를 제거한 이후 회절격자 영역과 평면반사 영역에 금속층을 증착하는 단계; 를 포함하는 것인, 초박형 마이크로 분광기의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 렌즈 상에 상기 후면반사 회절격자층을 배치하는 단계는, 상기 렌즈의 후면 상에 상기 후면반사 회절격자층의 베이스 기판 면을 위치시키는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명은, 평면반사부 및 회절격자의 역할을 동시에 수행하는 후면반사 회절격자 구조를 활용하여, 분광분해능을 향상시킨 초박형 마이크로 분광기를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명은, 광경로내 다중반사구조 및 회절광의 최소한의 굴절을 설계함으로써, 색수차를 최소화하여 마이크로 분광기의 분해능을 향상시키고, 가시광선범위에서 향상된 분광 분해능(Spectral resolution)과 균일한 민감도(Sensitivity)를 제공하므로, 기존 초소형분광기 대비 다양한 측정신호의 범용성을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명은, 대면적 미세공정을 통해 회절격자, 입사부 등의 광학부품들을 제작할 수 있으며, 이를 통해 저비용의 양산가능한 초박형 마이크로 분광기를 제작할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 초박형 마이크로 분광기의 구성을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 초박형 마이크로 분광기의 구성 및 마이크로 분광기 내에서 (a) 광부품의 구성 및 광경로, 및 (b) 회절격자 구조의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 초박형 마이크로 분광기에서 획득되는 가변 레이저(50 nm 간격 가변 레이저)에 의한 측정 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 후면반사 회절격자 구조를 갖는 초박형 마이크로 분광기와 오목렌즈 회절격자(Concave grating)를 이용한 마이크로 분광기의 분광 분해능을 나타낸 것이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 후면반사 회절격자 구조를 갖는 초박형 마이크로 분광기와 오목렌즈 회절격자(Concave grating)를 이용한 마이크로 분광기의 분광 분해능 및 민감도를 나타낸 것이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 초박형 마이크로 분광기의 광학성능의 평가 결과를 나타낸 것이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 본 발명에 의한 초박형 마이크로 분광기의 제조방법을 공정을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 초박형 마이크로 분광기의 구성 및 마이크로 분광기 내에서 (a) 광부품의 구성 및 광경로, 및 (b) 회절격자 구조의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 초박형 마이크로 분광기에서 획득되는 가변 레이저(50 nm 간격 가변 레이저)에 의한 측정 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 후면반사 회절격자 구조를 갖는 초박형 마이크로 분광기와 오목렌즈 회절격자(Concave grating)를 이용한 마이크로 분광기의 분광 분해능을 나타낸 것이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 후면반사 회절격자 구조를 갖는 초박형 마이크로 분광기와 오목렌즈 회절격자(Concave grating)를 이용한 마이크로 분광기의 분광 분해능 및 민감도를 나타낸 것이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 초박형 마이크로 분광기의 광학성능의 평가 결과를 나타낸 것이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 본 발명에 의한 초박형 마이크로 분광기의 제조방법을 공정을 예시적으로 나타낸 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 초박형 마이크로 분광기, 이의 제조방법 및 이의 활용에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.
본 발명은, 초박형 마이크로 분광기에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따라, 도 1을 참조하면, 광부품이 장착된 기판층(100); 및 기판층(100)과 수직 방향으로 이격된 거리에 배치되고, 후면반사 회절격자 구조를 포함하는 렌즈부(200) 및 렌즈부(200)에서 회절 및 반사된 광이 집속되는 검출부(300)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 도 1을 참조하면, 기판층(100)은, 광입사 슬릿(110), 제2 평면반사부(120) 등과 같은 광부품이 장착된 것일 수 있다. 본 발명의 일 예로, 광입사 슬릿(110)는, 마이크로 슬릿이며, 이는 기판층(100)과 일체로 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 일 예로, 광입사 슬릿(110)은, 렌즈부(200)의 제1 평면반사부(210)로 광 입사하기 위한 슬릿 입구가 배치되도록 설계될 수 있다. 본 발명의 일 예로, 광입사 슬릿(110)과 렌즈부(200, 예: 제1 평면반사부(222)) 간의 거리는, 4 mm 내지 8 mm인 것일 수 있다. 이는 본 발명의 초박형 마이크로 분광기가 후면반사 회절격자 구조를 활용하여 하나의 소자 내에 다중반사 구조를 구현함으로써, 입사부를 통과한 광 경로를 최소화시키고, 마이크로 분광기의 두께를 초박형으로 설계할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 광입사 슬릿(110)은, 3 μm 내지 60 μm의 폭, 0.1 내지 0.22의 개구수 (NA, numerical aperture) 또는 이 둘 모두를 포함할 수 있다. 예를 들어, 개수주는 0.11 또는 0.22일 수 있다.
본 발명의 일 예로, 제2 평면반사부(120)는 기판층(200)의 일면 상에 형성되고, 렌즈부(200)(예: 도 1의 제1 평면반사부(222))에서 시준된 광을 반사하도록 설계되고 슬릿 입구와 인접하게 배치될 수 있다.
본 발명의 일 예로, 제2 평면반사부(120)는, 광 반사 기능을 갖는 금속층이며, 이는 증착된 박막, 필름 등일 수 있다. 상기 금속층은, 제1 평면반사부(210)과 동일하거나 또는 상이한 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 금속층은, 광 반사 기능을 갖는 금속이라면 제한 없이 적용될 수 있으며, 어떤 예에서 상기 금속층은, 원소 주기율 표의 Ⅲ, Ⅳ 및 Ⅴ족의 금속을 포함할 수 있다. 어떤 예에서 상기 금속층은, Al, In, Sn, Pb, Sb, Bi, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, Sc, Y, La, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 및 Lu 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 어떤 예에서, 상기 금속층은, 높은 반사율과 제조의 용이성을 고려하여 은(Ag), 팔라듐(Pd), 금(Au), 구리(Cu), 비스무트(Bi), 게르마늄(Ge), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al) 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 예로, 상기 금속층의 두께는, 50 nm 내지 100 nm; 50 nm 내지 80 nm; 또는 60 nm 내지 70 nm일 수 있고, 상기 금속층은, 단일층 또는 복수층인 것일 수 있다. 어떤 예에서, 상기 복수층에서 각층은, 서로 성분, 두께 또는 이둘 모두가 동일하거나 상이할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 렌즈부(200)는, 볼록렌즈(210); 및 볼록렌즈의 후면에 형성된 제1 평면반사부(222) 및 반사형 회절격자부(223)를 포함하는 후면반사 회절격자층(220)을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 예로, 후면반사 회절격자층(220)은, 베이스 기판(221); 베이스 기판의 일면에 형성된 제1 평면반사부(222) 영역 및 이와 동일한 면에 반사형 회절격자부(223) 영역을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 베이스 기판(221)은, 광 투과가 가능한 투명한 물질을 포함하는 기판이며, 실리콘 기판(예: 투명 Si 웨이퍼, 투명 SiC 웨이퍼), 사파이어 기판, 세라믹스 기판, 유리 기판(예: 글래스 웨이퍼, 쿼츠), 금속 산화물 기판, 투명 플라스틱 기판 등일 수 있으며, 예를 들어, 글래스(Glass), 알루미나, 산화알루미늄(예: 사파이어), 투명 플라스틱(예: 셀롤로오스계 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate; PEN), 폴리에틸렌 수지, 염화 폴리비닐 수지, 폴리카보네이트(Polycarbonate; PC), 폴리에테르 술폰(polyethersulfone; PES), 폴리에테르 에테르케톤(polyetherether ketone; PEEK), 황화 폴리페닐렌(polyphenylene sulfide; PPS), 폴리이미드(polyimide, PI) 또는 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA) 등) 등 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 후면반사 회절격자층(220)에서 제1 평면반사부(222) 및 반사형 회절격자부(223)를 동일한 면에 배열되며, 이는 후면반사 회절격자 구조를 활용하여 렌즈 후면에서 평면반사 및 회절격자의 역할을 동시에 수행하고, 다중반사 구조를 실현하여 기존 곡면 회절격자 분광기 대비 향상된 분광분해능 및 균일한 민감도를 제공하고, 입사광의 총 광 경로의 길이를 유지하면서 다중 반사 구조를 통해 마이크로 분광기의 두께를 줄일 수 있다. 이는 입사광의 광 시준, 회절 및 집속을 한 소자 내에 이루어지므로, 회절광의 굴절을 최소화시키고, 이로써 분광분해능 및 민감도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 예로, 제1 평면반사부(222)는, 금속 코팅층(222)을 포함하고, 금속 코팅층(222)은, 반사형 회절격자부(223) 영역의 금속 코팅층(223b)과 연속적으로 형성(즉, 하나의 금속 코팅막)되거나 분리되어 형성될 수 있다.
본 발명의 일 예로, 금속 코팅층(222)은, 광 반사 기능을 갖는 금속을 포함하고, 이는 증착된 박막, 필름 등일 수 있다. 예를 들어, 금속 코팅층(222)은, 광 반사 기능을 갖는 금속이라면 제한 없이 적용될 수 있으며, 어떤 예에서 금속 코팅층(221)은, 원소 주기율 표의 Ⅲ, Ⅳ 및 Ⅴ족의 금속을 포함할 수 있다. 어떤 예에서 상기 금속층은, Al, In, Sn, Pb, Sb, Bi, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, Sc, Y, La, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 및 Lu 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 어떤 예에서, 상기 금속층은, 높은 반사율과 제조의 용이성을 고려하여 은(Ag), 팔라듐(Pd), 금(Au), 구리(Cu), 비스무트(Bi), 게르마늄(Ge), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al) 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 예로, 금속 코팅층(221)의 두께는, 50 nm 내지 100 nm; 50 nm 내지 80 nm; 또는 60 nm 내지 70 nm이고, 금속 코팅층(221)은, 단일층 또는 복수층인 것일 수 있다. 어떤 예에서, 상기 복수층에서 각층은, 서로 성분, 두께 또는 이둘 모두가 동일하거나 상이할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 반사형 회절격자부(223)는, 후면반사 및 회절격자 기능을 동시에 수행하는 것으로, 베이스 기판(221) 상에 형성되고 복수개의 선형 패턴(예: 직선형 패턴)인 회절격자 구조(223a) 및 금속 코팅층(223b)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 선형 패턴은, 1 ㎛ 내지 2 ㎛ 주기(period), 100 nm 내지 200 nm 높이 및 500 nm 내지 900 nm 선 두께 및 0.4 내지 0.5 듀티 사이클(Duty cycle) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 어떤 예에서, 상기 격자 주기는 1 ㎛ 내지 2 ㎛; 1 ㎛ 내지 1.8 ㎛; 또는 1.5 ㎛ 내지 1.7 ㎛일 수 있다. 어떤 예에서, 상기 높이는, 100 nm 내지 200 nm; 100 nm 내지 180 nm; 또는 100 nm 내지 150 nm일 수 있다. 어떤 예에서, 상기 선 두께는 500 nm 내지 900 nm; 500 nm 내지 850 nm; 또는 600 nm 내지 800 nm일 수 있다. 어떤 예에서 도 2에서 나타낸 바와 같이, 상기 선형 패턴은, 0.7 ㎛ 내지 0.8 ㎛ 선 두께 및 1 ㎛ 내지 1.66 ㎛ 주기를 포함할 수 있으며, 이는 회절광의 굴절을 최소화하여 초박형의 두께에서도 측정 파장의 색 수차를 최소화시키고 분광분해능 및 균일한 민감도를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 선형 패턴의 단면은, 직사각형, 정사각형, 렌즈형, 반원형 및 삼각형 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있으며, 어떤 예에서 도 2에 나타낸 바와 같이 직사각형 단면을 갖는 직선형 패턴을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 선형 패턴은, 산화물층을 패터닝한 것이고, 상기 산화물은, 투명 산화물을 포함할 수 있으며, 예를 들어, Ti, In, Ga, Zn, Sn 및 Si 중 적어도 하나 이상을 포함하는 산화물이며, ITO, IGZO, IZO, IGO, 실리콘 산화물(예: SiO2) 등일 수 있다. 규소 질화물(예: SixNy, Si3N4), 규소 옥시질화물(Silicon oxynitride, SiOxNy) 및 투명 질화물 또는 투명 산화물 반도체 화합물이 더 포함될 수 있다. 바람직하게는 실리콘 산화물(예: SiO2)일 수 있다.
본 발명의 일 예로, 반사형 회절격자부(223) 영역의 금속 코팅층(223b)은, 제1 평면반사부의 금속 코팅층(222)과 동일하거나 또는 상이한 금속을 포함할 수 있으며, 금속의 종류는, 금속 코팅층(222)에서 상기 언급한 바와 같다. 본 발명의 일 예로, 금속 코팅층(223b)의 두께는, 50 nm 내지 100 nm; 50 nm 내지 80 nm; 또는 60 nm 내지 70 nm 이고, 금속 코팅층(223b)은, 단일층 또는 복수층인 것일 수 있다. 어떤 예에서, 상기 복수층에서 각층은, 서로 성분, 두께 또는 이둘 모두가 동일하거나 상이할 수 있다. 상기 두께 범위 내에 포함되면 회절 및 반사되는 광의 굴절율을 최소화시키고, 분광 분해능 및 균일한 민감도를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 검출부(300)는, 렌즈부에서 회절 및 반사된 광이 집속된 광 정보(예: 광 파장)을 분석하여 이미징하는 것으로, 집속 및 분석되는 광의 파장은, 350 nm 내지 800 nm 파장의 가시광선 영역을 포함하고, 이는 가시광선 전반에 거쳐 높은 분광분해능 및 민간도로 분석 성능을 제공할 수 있다. 또한, 상기 검출부(300)는, 다중 광 이미지(예: 다중 형광 이미지)를 획득할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 검출부(300)은, 이미지 라인 센서이며, 예를 들어, CMOS 센서일 수 있다. 상기 CMOS 센서는 본 발명의 기술 분야에서 알려진 것을 적절하게 선택될 수 있으며, 본 문서에는 구체적으로 언급하지 않는다.
본 발명의 일 예로, 검출부(300)는, 기판층(100)에 장착되거나, 도 2에 나타낸 바와 같이, 기판층(100) 및 검출부(300)는, 초박형 마이크로 분광기의 구동을 위한 전극 등이 형성된 기판에 분리되어 장착될 수 있다. 상기 기판은, 본 발명의 기술 분야에서 알려진 것을 이용할 수 있으며, 본 문서에는 구체적으로 언급하지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 도 2는 참조하면, 도 2는, 본 발명에 의한 초박형 마이크로 분광기의 구성 및 마이크로 분광기 내에서 (a) 광부품의 구성 및 광경로 및 (b) 회절격자 구조의 SEM 이미지를 나타낸 것이다. 즉, 마이크로 슬릿을 통해 주입된 광은, 상기 제1 평면반사부에서 상기 제2 평면반사부로 시준되고, 상기 제2 평면반사부에서 반사된 광은, 후면반사 회절격자 구조에서 반사되어 검출부(예: CMOS 라인 센서)로 집속되는 것으로, 이는 광분해능 및 민감도를 향상시키고, 하나의 소자 내에 다중반사 기능이 이루어지므로, 입사광의 총 광경로를 최소화시키면서 소자의 부피 증가 없이 또는 최소화하여 약 6 mm 두께의 초소형 및 초박형 마이크로 분광기를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 도 3은, 본 발명에 의한 후면반사 회절격자 구조를 갖는 초박형 마이크로 분광기의 회절격자의 50 nm 간격 가변 레이저 측정을 기반으로 마이크로 분광기 검출부(예: CMOS 센서)의 측정 스펙트럼을 나타낸 것으로, 도 3에서 가시광선 전반 영역에서 분광 정보를 획득할 수 있음을 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 도 4는, 본 발명에 의한 후면반사 회절격자 구조를 갖는 초박형 마이크로 분광기와 오목렌즈 회절격자(Concave grating)을 이용한 마이크로 분광기의 분광 분해능을 비교하여 나타낸 것이다. 이와 관련하여 도 5는 마이크로 분광기의 분광 분해능 및 민감도를 가시광선 파장에 따라 비교한 그래프이다. 도 4에서 가시광선 전반에 거쳐서 균일하고 미세한 분해능을 갖는 것을 확인할 수 있다.
도 4 및 도 5에서 본 발명은 후면 반사 회절 격자구조를 활용한 초박형 마이크로 분광기는 기존 곡면 회절 격자 분광기 대비 향상된 분광 분해능 및 균일한 민감도를 제공할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 마이크로 분광기는, 가시광선 전반적인 영역에서 기존 소형분광기(예: Concave grating) 대비 향상된 분광분해능(Spectral resolution) 및 균일한 민감도(Sensitivity)를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 도 6은, 본 발명에 의한 후면반사 회절격자 구조를 갖는 초박형 마이크로 분광기의 광학성능을 평가한 것으로, 이는 미광측정도에 관련된다. 도 6에서 본 발명에 의한 검출부에서 측정하는 신호의 비광 수준이 상용화 가능한 수준에 해당되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명은, 다중 반사 구조를 통해 분광기를 초박형으로 설계할 수 있고, 검출부(센서)에서 측정하는 신호의 미광 수준을 상요 가능한 수준까지 내림으로써, 가시광선의 전 영역의 분석에 활용될 수 있다.
본 발명은, 본 발명에 의한 초박형 마이크로 분광기의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 제조방법은, 후면반사 회절격자 구조를 갖는 렌즈부를 형성하는 단계; 기판층을 제조하는 단계; 및 광학부품을 조립하는 단계; 를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 렌즈부를 형성하는 단계는, 후면반사 회절격자 구조를 형성하는 단계(S100); 및 렌즈 상에 후면반사 회절구조를 장착하는 단계(S200);를 포함할 수 있다. 각 단계는 구성은 본 발명의 초박형 마이크로 분광기에 대한 설명에서 언급한 바와 같다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 도 7을 참조하면, 반사형 회절격자부를 형성하는 단계(S100)는, 베이스 기판을 준비하는 단계(S110); 베이스 기판 상에 산화물층을 형성하는 단계(S120); 포토레지스트층을 형성하는 단계(S130); 포토레지스트층의 포토리소그래피 공정을 진행하는 단계(S140); 산화물층을 패터닝하여 회절격자를 형성하는 단계(S150); 및 산화물층 상에 포토레지스트를 제거하여 베이스 기판을 노출시키고, 회절격자 영역과 평면반사 영역에 금속층을 증착하는 단계(S160);를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 베이스 기판을 준비하는 단계(S110)는, 광 투과가 가능한 투명한 물질을 포함하는 기판(300)이며, 실리콘 기판(예: 투명 Si 웨이퍼 투명 SiC 웨이퍼), 사파이어 기판, 세라믹스 기판, 유리 기판, 금속 산화물 기판, 투명 플라스틱 기판 등일 수 있으며, 예를 들어, 글래스(Glass), 알루미나, 산화알루미늄(예: 사파이어), 투명 플라스틱(예: 셀롤로오스계 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate; PEN), 폴리에틸렌 수지, 염화 폴리비닐 수지, 폴리카보네이트(Polycarbonate; PC), 폴리에테르 술폰(polyethersulfone; PES), 폴리에테르 에테르케톤(polyetherether ketone; PEEK), 황화 폴리페닐렌(polyphenylene sulfide; PPS), 폴리이미드(polyimide, PI) 또는 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA) 등) 등 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 베이스 기판 상에 산화물층을 형성하는 단계(S120)는, 베이스 기판(300) 상의 적어도 일부분, 예를 들어, 회절격자 구조가 형성되는 부분에 산화물층(310)을 증착 및/또는 코팅하는 단계이며, 예를 들어, 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering), 열 증착(thermal evaporation), 화학적 기상증착방법(Chemical Vapor Deposition, CVD), 플라즈마 강화 화학 기상 증착(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD), 원자층 증착법(Atomic layer deposition, ALD), 전자빔 증착 등의 방법을 이용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 예로, 산화물층(310)은, 100 nm 내지 200 nm 두께로 형성되고, 산화물층(310)은, 투명 산화물을 포함할 수 있으며, 예를 들어, Ti, In, Ga, Zn, Sn 및 Si 중 적어도 하나 이상을 포함하는 산화물이며, ITO, IGZO, IZO, IGO, 실리콘 산화물(예: SiO2) 등일 수 있다. 규소 질화물(예: SixNy, Si3N4,), 규소 옥시질화물(Silicon oxynitride, SiOxNy) 및 투명 질화물 또는 투명 산화물 반도체 화합물이 더 포함될 수 있다. 바람직하게는 실리콘 산화물(예: SiO2)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 포토레지스트층을 형성하는 단계(S130)는, 산화물층(310) 상의 적어도 일부분 또는 전체에 포토레지스트층(PR, 예: GXR-601)을 도포하는 것으로, 상기 포토레지스트층은, 포토리소그래피 공정에 따라 재료를 선택하고, 포토리소그래피 공정 이전에 베이크(Bake)될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 포토레지스트층의 포토리소그래피 공정을 진행하는 단계(S140)는, 포토리소그래피 공정에 의해서 포토레지스트층을 패터닝하는 것으로, 본 발명의 기술 분야에서 알려진 포토리소그래피 공정(예: projection lithography)이라면 제한 없이 적용될 수 있다. 예를 들어, 상기 포토레지스트층 상에 마스크를 정렬 및 배치하고 광 조사(예: 노광), 베이크 및/또는 현상 공정을 진행하고, 현상 공정 이후에 베이크(예: 하드 베이크) 공정을 더 진행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 산화물층을 패터닝하여 회절격자를 형성하는 단계(S150)는, 상기 패터닝된 포토레지스트층이 형성된 산화물층(310)의 적어도 일부분을 습식 식각, 건식 식각 등을 이용하여 회절격자로 사용될 수 있는 선형 패턴으로 패터닝할 수 있으며, 상기 식각 이후에 잔류하는 포토레지스트를 제거할 수 있다. 어떤 예에서, 상기 선형 패턴들 사이에 베이스 기판이 노출되도록 식각될 수 있다. 예를 들어, 식각은 산화물층의 성분에 따라 적절한 에천트를 구성하여 식각을 유도할 수 있으며, 불산, 이플루오린화 제논(XeF2), 초산, 구연산, 염산, 과염소산 등 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 건식 식각은, 스퍼터 식각, 반응성 이온 식각(Reactive ion etching, RIE), 증기상 식각(Vapor phase etching) 등을 이용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 회절격자 영역과 평면반사 영역에 금속층을 증착하는 단계(S160)는, 산화물층(310)의 패터닝 이후에 잔류하는 포토레지스트를 제거하고, 회절격자 영역과 평면반사 영역에 동일하거나 또는 상이한 금속으로 금속층(320, 예: Al)을 증착할 수 있다. 예를 들어, 마그네트론 스퍼터링(Magnetron sputtering), 진공증착법, 이온플레이팅, 전자빔증발법(E-beam evaporation), 열 증착(Thermal evaporation), 화학적 기상증착방법(Chemical Vapor Deposition, CVD), 플라즈마 강화 화학 기상 증착(Plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD), 원자층 증착법(Atomic layer deposition, ALD) 등의 방법을 이용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 예로, 금속층(320)의 두께는, 50 nm 내지 100 nm이고, 금속층(320)은, 광 반사 기능을 갖는 금속이라면 제한 없이 적용될 수 있으며, 어떤 예에서 상기 금속층은, 원소 주기율 표의 Ⅲ, Ⅳ 및 Ⅴ 족의 금속을 포함할 수 있다. 어떤 예에서 상기 금속층은, Al, In, Sn, Pb, Sb, Bi, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, Sc, Y, La, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 및 Lu 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 어떤 예에서, 상기 금속층은, 높은 반사율과 제조의 용이성을 고려하여 은(Ag), 팔라듐(Pd), 금(Au), 구리(Cu), 비스무트(Bi), 게르마늄(Ge), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al) 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 렌즈 상에 후면반사 회절격자 구조를 장착하는 단계(S200)는, 상기 렌즈의 평평한 후면에 상기 후면반사 회절격자 구조의 베이스 기판 면을 위치시키고, 이들을 조립할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 상기 베이스 기판을 렌즈 상에 배치한 이후에 후면반사 회절격자 구조(예: 단계 S100을 진행)를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 광학부품을 조립하는 단계는, 광입사 마이크로슬릿 및 평면반사부(예: Al 막)를 갖는 기판층을 형성하고, 렌즈부, 이미지 센서 등과 같은 광부품을 조립할 수 있다. 상기 기판층은, 포토리소그래피, 식각 등을 이용하여 상기 기판 내에 마이크로 슬릿을 형성하고, 상기 평면반사부 영역에 금속층을 증착할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명의 초박형 마이크로 분광기의 구성요소는 본 발명의 기술 분야에 알려진 방법을 적절하게 이용하여 반도체 기판 상에 배열하여 조립할 수 있으며, 본 문서에는 구체적으로 언급하지 않는다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
Claims (14)
- 볼록렌즈; 및 상기 볼록렌즈의 후면에 형성되고, 반사형 회절격자부 및 제1 평면반사부가 동일 면에 배열된 후면반사 회절격자층을 포함하는 렌즈부;
상기 렌즈부와 이격되어 배치되고, 광입사 마이크로 슬릿이 형성된 기판층;
상기 기판층 상에 형성된 제2 평면반사부; 및
상기 렌즈부에서 반사된 광이 집속되는 CMOS 센서;
를 포함하는,
초박형 마이크로 분광기.
- 제1항에 있어서,
상기 후면반사 회절격자층은,
베이스 기판; 상기 베이스 기판의 일면에 형성된 반사형 회절격자부 영역; 및 상기 반사형 회절격자부 영역과 동일한 면에 형성된 제1 평면반사부 영역;을 포함하는 것인,
초박형 마이크로 분광기.
- 제2항에 있어서,
상기 회절격자는, 상기 베이스 기판 상에 형성된 복수개의 선형 패턴이며,
상기 선형 패턴은, 산화물을 포함하는 것인,
초박형 마이크로 분광기.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 평면반사부 및 상기 반사형 회절격자부는, 금속 코팅층을 포함하고,
상기 반사형 회절격자부는, 상기 제1 평면반사부와 동일하거나 또는 상이한 금속 코팅층을 포함하는 것인,
초박형 마이크로 분광기.
- 제4항에 있어서,
상기 금속 코팅층은,
은(Ag), 팔라듐(Pd), 금 (Au), 구리 (Cu), 비스무트 (Bi), 게르마늄 (Ge), 갈륨 (Ga), 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 것인,
초박형 마이크로 분광기.
- 제4항에 있어서,
상기 금속 코팅층의 두께는, 50 nm 내지 100 nm이고,
상기 금속 코팅층은, 단일층 또는 복수층인 것인,
초박형 마이크로 분광기.
- 제3항에 있어서,
상기 선형 패턴은, 1 ㎛ 내지 2 ㎛의 주기(period), 100 nm 내지 200 nm 높이 및 500 nm 내지 900 nm 선 두께 및 0.4 내지 0.5 듀티 사이클 중 적어도 하나 이상을 포함하고,
상기 선형 패턴의 단면은, 직사각형, 정사각형, 렌즈형, 반원형 및 삼각형 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것인,
초박형 마이크로 분광기.
- 제2항에 있어서,
상기 베이스 기판은, 투명 기판이며,
상기 투명 기판은, 유리, 사파이어, 투명 웨이퍼 및 투명 플라스틱 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것인,
초박형 마이크로 분광기.
- 제1항에 있어서,
상기 마이크로 슬릿은,
상기 제1 평면반사부로 광 입사하는 것인,
초박형 마이크로 분광기.
- 제1항에 있어서,
상기 마이크로 슬릿과 상기 제1 평면반사부 간의 거리는,
4 mm 내지 8 mm인 것인,
초박형 마이크로 분광기.
- 제1항에 있어서,
상기 마이크로 슬릿을 통해 입사된 광은, 상기 제1 평면반사부에서 상기 제2 평면반사부로 시준되고,
상기 제2 평면반사부에서 반사된 광은, 상기 후면반사 회절격자층를 통해 CMOS 센서로 집속되는 것인,
초박형 마이크로 분광기.
- 제11항에 있어서,
상기 CMOS 센서에 집속되는 광은, 350 nm 내지 800 nm 파장의 가시광선이고, 다중 파장의 광이 집속되는 것인,
초박형 마이크로 분광기.
- 후면반사 회절격자층을 형성하는 단계; 및
렌즈 상에 상기 후면반사 회절격자층을 배치하는 단계;
를 포함하고,
상기 후면반사 회절격자층을 형성하는 단계는,
베이스 기판을 준비하는 단계;
상기 베이스 기판 상에 산화물층을 형성하는 단계;
상기 산화물층의 적어도 일부분에 포토레지스트층을 형성하는 단계;
상기 포토레지스트층에 포토리소그래피 공정을 진행하는 단계;
상기 산화물층을 패터닝하여 회절격자 구조를 형성하는 단계; 및
상기 산화물층 상에 포토레지스트를 제거한 이후 회절격자 영역과 평면반사 영역에 금속층을 증착하는 단계;
를 포함하는 것인,
초박형 마이크로 분광기의 제조방법.
- 제13항에 있어서,
상기 렌즈 상에 상기 후면반사 회절격자층을 배치하는 단계는,
상기 렌즈의 후면 상에 상기 후면반사 회절격자층의 베이스 기판 면을 위치시키는 것인,
초박형 마이크로 분광기의 제조방법.
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