KR20240074865A - 메타표면을 포함하는 광학 요소의 반사 방지 구조화 - Google Patents

메타표면을 포함하는 광학 요소의 반사 방지 구조화 Download PDF

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Abstract

본 개시는 메타표면을 포함하는 광학 요소의 반사 방지 구조화를 설명한다. 일부 구현에서, 반사 방지 구조화는 메타표면의 표면 위에 하나 이상의 반사 방지 코팅을 적용하는 것을 포함한다. 일부 구현에서, 반사 방지 구조화는 반사를 감소시키기 위해 메타원자의 형상을 변경하거나 또는 메타원자에 질감 있는 피처를 제공하는 것을 포함한다.

Description

메타표면을 포함하는 광학 요소의 반사 방지 구조화
본 개시는 메타표면을 포함하는 광학 요소의 반사 방지 구조화에 관한 것이다.
진보된 광학 요소는 특정 방식으로 광과 상호작용하도록 배열된 작은 구조(예를 들어, 메타원자)가 분포되어 있는 표면을 지칭하는 메타표면을 포함할 수 있다. 예를 들어, 메타구조라고도 지칭될 수 있는 메타표면은 나노구조 어레이가 분포되어 있는 표면일 수 있다. 나노구조는, 개별적으로 또는 집합적으로 광파와 상호작용할 수 있다. 예를 들어, 나노구조 또는 다른 메타원자는 들어오는 광파의 국소 진폭, 국소 위상, 또는 양자 모두를 변경할 수 있다.
광선이, 예를 들어 메타표면으로 통과할 때, 광은 한 매질(예를 들어, 공기)에서 다른 매질(예를 들어, 메타표면)로 전달되며, 광의 일부 부분이 두 매질 사이의 경계면에서 반사될 수 있다. 불행하게도, 이러한 반사는 광학 요소의 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 그러나, 메타표면이 평탄하거나 매끄러운 것이 아니고, 대신 메타원자의 존재로 인해 구조화되어 있는 것이기 때문에, 이러한 반사를 감소시키거나 제거하는 것은 어려운 문제이다. 또한, 메타원자는 전형적으로 동작 파장보다 더 작은 크기를 가지므로, 단순히 종래의 반사 방지 층을 추가하는 것만으로도 메타원자의 의도된 광학 성능이 부정적으로 변경될 것으로 예상된다.
본 개시는 메타표면을 포함하는 광학 요소의 반사 방지(AR) 구조화를 설명한다. 일부 구현에서, AR 구조화는 메타표면의 표면 위에 하나 이상의 반사 방지 코팅(ARC)을 적용하는 것을 포함한다. 일부 구현에서, AR 구조화는 반사를 감소시키기 위해 메타원자의 형상을 변경하거나 또는 메타원자에 질감 있는 피처(textured feature)를 제공하는 것을 포함한다.
예를 들어, 일부 구현에서, 장치는 메타표면을 포함하는 광학 요소를 포함한다. 제1 반사 방지 코팅은 메타표면의 적어도 일부에 배치된다.
일부 구현에는 다음 특징 중 하나 이상이 포함된다. 예를 들어, 메타표면은 구조화될 수 있다. 일부 사례에서, 메타표면은 기판 상에 배치된 메타원자를 포함하고, 제1 반사 방지 코팅은 메타원자 상에 배치된다. 일부 경우에, 제1 반사 방지 코팅은 메타원자의 상부 및 측벽 표면 상에 배치된다. 일부 경우에, 제1 반사 방지 코팅의 재료는 또한 메타원자를 향하는 기판의 표면 상에도 배치된다. 일부 사례에서, 제2 반사 방지 코팅은 메타원자를 향하는 기판의 표면 상에 존재하고, 제2 반사 방지 코팅의 조성은 제1 반사 방지 코팅의 조성과 다르다. 일부 구현에서, 제1 반사 방지 코팅은 메타원자의 에지를 넘어 연장된다.
일부 구현에서, 제2 반사 방지 코팅은 제1 반사 방지 코팅 상에 존재하고, 제2 반사 방지 코팅의 조성은 제1 반사 방지 코팅의 조성과 다르다. 제1 반사 방지 코팅은, 예를 들어 제2 반사 방지 코팅의 굴절률보다 더 큰 굴절률을 가질 수 있다.
일부 구현에서, 메타표면은 기판 상에 배치된 메타원자를 포함하고, 메타원자와 기판은 실리콘으로 구성된다. 실리콘으로 구성될 수 있는 제1 반사 방지 코팅은 메타원자 상에 그리고 메타원자를 향하는 기판의 표면 상에 배치될 수 있다.
일부 구현에서, 메타표면은 기판 상에 배치된 메타원자를 포함하고, 메타원자는 기판과 다른 재료로 구성된다. 제1 반사 방지 코팅은 메타원자 상에 배치될 수 있으며, 제2 반사 방지 코팅은 메타원자를 향하는 기판의 표면 상에 존재할 수 있다. 제2 반사 방지 코팅의 조성은 제1 반사 방지 코팅의 조성과 다를 수 있다. 예를 들어, 일부 사례에서, 메타원자는 실리콘으로 구성되고, 제1 반사 방지 코팅은 질화규소로 구성되고, 기판은 유리로 구성되며, 제2 반사 방지 코팅은 불화마그네슘으로 구성된다.
일부 구현에서, 메타표면은 에칭 정지층 상에 배치된 메타원자를 포함하고, 제1 반사 방지 코팅은 메타원자 상에 배치된다. 일부 사례에서, 에칭 정지층은 결정질 실리콘 기판 위에 배치되고, 메타원자는 비정질 실리콘으로 구성된다. 일부 사례에서, 제1 반사 방지 코팅 또는 에칭 정지층 중 적어도 하나는 질화규소로 구성된다. 일부 구현에서, 에칭 정지층은 반사 방지 코팅 재료로 구성된다.
본 개시는 또한 메타표면을 포함하는 광학 요소를 포함하는 장치를 설명하고, 메타표면은 광학 반사를 감소시키는 형상을 갖는 메타원자를 포함한다. 예를 들어, 일부 구현에서, 메타원자는 절두 원추 또는 피라미드 형상을 갖는다. 일부 사례에서, 반사 방지 코팅은 메타표면 상에 배치된다. 일부 경우에, 반사 방지 코팅은 불균일한 두께를 가질 수 있다.
본 개시는 또한 메타원자를 포함하는 메타표면을 포함하는 광학 요소를 포함하는 장치를 설명한다. 메타원자 상에는 질감 있는 반사 방지 피처가 존재한다. 일부 구현에서, 질감 있는 반사 방지 피처는 메타원자와 다른 재료로 구성되는 반면, 일부 구현에서, 질감 있는 반사 방지 피처는 메타원자와 동일한 재료로 구성된다. 일부 경우에, 질감 있는 반사 방지 피처는 메타원자 상에 임프린트된다.
하나 이상의 구현의 세부사항은 첨부 도면 및 아래의 설명에서 제시된다. 다른 양태, 특징 및 이점은 다음의 상세한 설명, 첨부 도면, 및 청구범위로부터 명백해질 것이다.
도 1은 그 표면에 반사 방지 코팅(ARC)을 포함하는 메타표면을 제조하는 방법의 예를 나타내는 흐름도이다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 메타표면 상의 다수의 ARC의 예를 예시한다.
도 3은 그 표면에 다수의 ARC를 포함하는 메타표면을 제조하는 방법의 예를 예시하는 흐름도이다.
도 4는 메타원자와 다른 재료로 구성된 기판에 형성된 메타원자 상의 ARC의 예를 예시한다.
도 5는 메타원자와 동일한 재료로 구성된 기판 상에 형성된 메타원자 상의 ARC의 예를 예시한다.
도 6, 도 7, 도 8, 도 9 및 도 10은 그 표면 상에 ARC를 갖는 메타표면의 예를 예시한다.
도 11은 메타표면 상에 다수의 ARC를 포함하는 구조의 예를 도시한다.
도 12a 내지 도 12h는 도 11의 구조를 제조하기 위한 일련의 제조 단계를 예시한다.
도 13은 실리콘 기판에 의해 지지되는 메타표면 상의 ARC의 예를 예시한다.
도 14a 내지 도 14d는 도 13의 구조를 제조하기 위한 일련의 제조 단계를 예시한다.
도 15는 캡슐화된 메타구조의 예를 도시한다.
도 16은 반사를 감소시키는 데 도움이 되도록 메타원자의 형상을 변경한 메타구조의 예를 도시한다.
도 17 및 도 18은 ARC를 더 포함하는 도 14의 메타구조의 예를 도시한다.
도 19 및 도 20은 반사를 감소시키는 데 도움이 되는 질감 있는 반사 방지 피처를 포함하는 메타구조의 예를 도시한다.
메타표면의 메타원자(예를 들어, 나노구조)가 특정 배열로 되어 있는 경우, 메타표면은 렌즈, 렌즈 어레이, 빔 분할기, 확산기, 편광판, 대역통과 필터, 또는 기타 광학 요소와 같은 광학 요소로 작용할 수 있다. 메타원자는, 일부 경우에, 메타구조가 예를 들어 렌즈, 격자 커플러 또는 기타 광학 요소로 기능하도록, 패턴으로 배열될 수 있다. 다른 사례에서, 메타원자는 패턴으로 배열될 필요가 없으며, 메타표면은, 예를 들어 팬아웃 격자, 확산기 또는 기타 광학 요소로 기능할 수 있다. 일부 구현에서, 메타표면은 편광 제어, 음의 굴절률 투과, 빔 편향, 소용돌이 생성, 편광 변환, 광학 필터링, 및 플라즈몬 광학 기능을 포함하는 다른 기능을 수행할 수 있다.
본 개시는 메타표면을 포함하는 광학 요소의 반사 방지(AR) 구조화를 설명한다. 일부 사례에서, AR 구조화는 메타표면의 표면 위에 하나 이상의 반사 방지 코팅(ARC)을 적용하는 것을 포함한다. 일부 사례에서, AR 구조화는 반사를 감소시키기 위해 메타원자의 형상을 변경하거나 또는 메타원자에 질감 있는 피처를 제공하는 것을 포함한다.
아래에 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, AR 구조화는 메타표면에 하나 이상의 ARC를 적용하는 것을 포함할 수 있다. 일반적으로, 메타표면에 적용되는 ARC의 굴절률은 ARC가 적용되는 메타표면의 재료의 굴절률과 주변 매질(예를 들어, 공기)의 굴절률 사이에 속하는 값을 가져야 한다. 도 1은 메타원자의 상부 표면에 ARC를 포함하는 메타표면을 제조하는 방법을 예시하는 흐름도이다. 100으로 표시된 바와 같이, ARC의 이상적인 굴절률이 결정된다. 예를 들어, 일부 구현에서, ARC의 이상적인 굴절률(nARC(i))은 다음 식을 사용하여 설정된다:
여기서, n1은 메타원자의 굴절률이고, nAIR는 주변 매질의 굴절률이며, 이 예에서는 주변 매질이 공기이다. 다음으로, 102로 표시된 바와 같이, 예를 들어 ARC에 적절한 재료를 검색함으로써 ARC의 재료가 결정된다. 다음으로, 104로 표시된 바와 같이, ARC의 이상적인 두께가 결정된다. 이상적인 두께(tARC)는, 예를 들어 다음 식을 사용하여 설정될 수 있다:
여기서, nARC(α)는 실제 ARC 재료의 굴절률이다. 이어서, 106으로 표시된 바와 같이, 메타렌즈 또는 다른 메타구조가 제조되고, 108로 표시된 바와 같이, ARC가 메타구조(예를 들어, 메타원자) 상에 퇴적된다.
기판(202) 상의 메타원자(200)를 도시하는 도 2a에 예시된 바와 같이, 다수의 서로 다른 ARC가 서로 겹치게 제공되는 상황에서도 유사한 프로세스가 사용될 수 있다. 메타원자(200)는 굴절률 n3을 갖는 재료 3으로 구성되며, 기판(202)은 굴절률 n1을 갖는 재료 1로 구성된다. 예시된 예에서, 기판(202)의 재료 1은 메타원자(200)의 재료 3과 다르다. 또한, 예시된 예에서, 기판은 메타원자 및 AR 코팅보다 더 낮은 굴절률을 갖는다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 제1 ARC(204)는 메타원자(200)의 상부에 적용되며, 제2 ARC(206)는 제1 ARC(204) 위에 적용된다. 제1 ARC(204)는 굴절률 n4를 갖는 재료 4로 구성되며, 제2 ARC(206)는 굴절률 n2를 갖는 재료 2로 구성된다.
일반적으로, 기판과 기판의 상부측 영역(즉, 메타원자에 인접한 영역) 사이의 경계면은 높은 굴절률에서 낮은 굴절률로 전이하는 것이 바람직하다. 기판과 메타원자가 서로 다른 재료로 구성될 때 도 2a의 구현이 유리할 수 있는 한 가지 이유는 경계면에서 반사를 덜 초래할 수 있다는 점이다.
도 2a의 구조는, 예를 들어 메타원자(200)에 대한 재료 3을 기판(202) 상에 퇴적하는 단계, 제1 ARC(204)에 대한 재료 4를 메타원자(200)에 대한 재료 3의 상부 상에 퇴적하는 단계, 제2 ARC(206)에 대한 재료 2를 제1 ARC(204)에 대한 재료 4 위에 퇴적하는 단계, 및 ARC 및 메타원자의 층을 통해 에칭하여 제1 및 제2 ARC(204, 206)를 그 상부 표면에 갖는 메타원자(200)를 형성하는 단계를 포함하는 일련의 제조 단계를 수행함으로써 달성될 수 있다. 에칭은 기판(202)의 상부 표면에 ARC 재료가 전혀 남지 않도록 계속될 수 있다.
일부 구현에서는, 도 2b에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 ARC(204, 206)는 메타원자(200)의 상부뿐만 아니라 기판(202)의 표면, 즉, 메타원자 사이의 영역에도 적용된다. 여기서도 마찬가지로, 제2 ARC(206)(재료 2로 구성됨)는 제1 ARC(204)(재료 4로 구성됨) 위에 적용될 수 있다. 이러한 배열은 메타원자(200)와 기판(202)이 동일한 재료(예를 들어, 비정질 실리콘)로 구성되는 구현에 특히 유리할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 일부 구현에서는, 도 2c에 도시된 바와 같이, 메타원자(200)와 기판(202)이 서로 다른 재료로 구성되는 경우에도(예를 들어, 여기서 메타원자(200)는 굴절률 n3을 갖는 재료 3으로 구성되고, 기판(202)은 굴절률 n1을 갖는 재료 1로 구성됨), 제2 ARC(206)(재료 2로 구성됨)는 또한 기판(202)의 표면 상에 적용될 수 있다. 이러한 배열은, 예를 들어 재료 지수가 다음 관계를 만족하는 경우에 유용할 수 있다: n3 > n4 > n1 > n2 > nair.
도 2c의 구조는, 예를 들어 메타원자(200)에 대한 재료 3을 기판(202) 상에 퇴적하는 단계, 제1 ARC(204)에 대한 재료 4를 메타원자(200)에 대한 재료 3의 상부 상에 퇴적하는 단계, 제1 ARC 및 메타원자의 층을 통해 에칭하여 제1 ARC(204)를 그 상부 표면에 갖는 메타원자(200)를 형성(그러나, 기판(202)의 상부 표면에 제1 ARC에 대한 재료 4는 없음)하는 단계, 및 제2 ARC(206)에 대한 재료 2를 제1 ARC(204) 및 기판(202)의 상부 표면 상에 퇴적하는 단계를 포함하는 일련의 제조 단계를 수행함으로써 달성될 수 있다.
도 3은 2개의 ARC(204, 206)를 포함하는 메타표면(예를 들어, 메타렌즈)을 제조하는 방법을 예시하는 흐름도이다. 220으로 표시된 바와 같이, ARC(206)의 이상적인 굴절률이 결정된다. 예를 들어, ARC(206)의 이상적인 굴절률 n2(i)는 다음 식을 사용하여 설정될 수 있다:
다음으로, 222로 표시된 바와 같이, ARC(206)에 대한 재료는, 예를 들어 적절한 재료를 검색함으로써 결정된다. 이어서, 224로 표시된 바와 같이, ARC(206)에 대한 이상적인 두께(t2)가 결정된다. 이상적인 두께(t2)는, 예를 들어 다음 식을 사용하여 설정될 수 있다:
여기서, n2(α)는 ARC(206)에 대한 실제 재료 2의 굴절률이다. 또한, 226으로 표시된 바와 같이 ARC(204)의 이상적인 굴절률이 결정된다. 예를 들어, ARC(204)의 이상적인 굴절률 n4(i)는 다음 식을 사용하여 설정될 수 있다:
다음으로, 228로 표시된 바와 같이, ARC(204)에 대한 재료는 예를 들어 적절한 재료를 검색함으로써 결정된다. 이어서, 230으로 표시된 바와 같이, ARC(204)에 대한 이상적인 두께(t4)가 결정된다. 이상적인 두께(t4)는, 예를 들어 다음 식을 사용하여 설정될 수 있다:
여기서, n4(α)는 ARC(204)에 대한 실제 재료 4의 굴절률이다. 이어서, 232로 표시된 바와 같이, 메타렌즈 또는 다른 메타구조가 제조되고, 234로 표시된 바와 같이, ARC(206, 204)가 메타구조 상에 퇴적된다.
메타원자 상부의 AR 재료의 이상적인 두께가 상기의 식에 의해 결정될 수 있지만, 실제 두께는 다를 수 있다. 또한, 일부 사례에서, 기판의 상부 표면 상의 AR 재료의 두께는 앞서 설명된 이상적인 두께와 다를 수 있다. 예를 들어, 일부 사례에서, 기판의 상부 표면 상의 AR 재료의 두께는 앞서 설명된 이상적인 두께보다 상당히 얇을 수 있다.
기판 및 메타원자에 대한 재료를 적절히 선택함으로써, 광학 요소의 설계는, 예를 들어 전자기 스펙트럼의 근자외선(UV) 부분, 전자기 스펙트럼의 가시 부분, 또는 전자기 스펙트럼의 적외선(IR) 부분의 동작 파장에 대해 최적화될 수 있다. 일부 구현에서, 도 4에 도시된 바와 같이, 메타원자(400)는 기판(402)의 재료와 다른 재료로 구성된다. 예를 들어, 일부 사례에서, 메타표면은 유리 기판 상의 실리콘 메타원자로 구성될 수 있다. 스펙트럼의 가시 부분에서의 동작을 위해, 메타원자는, 예를 들어 이산화티타늄으로 구성될 수 있다. 일부 구현에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 메타원자(400)와 기판(402)은 동일한 재료(예를 들어, 비정질 실리콘)로 구성된다. 기판(402)과 메타원자(400)를 모두 실리콘으로 구현하는 것은, 예를 들어 실리콘의 처리가 일반적으로 잘 이해되어 있기 때문에 유리할 수 있다. 반면에, 실리콘의 상대적으로 높은 굴절률은 감소되거나 제거되어야 하는 상당한 반사를 초래할 수 있다.
도 4 및 도 5에 예시된 바와 같이, ARC(406)는 메타원자(400)의 상부를 덮고 반사를 감소시키는 데 도움을 주기 위해 존재할 수 있다. 일부 경우에, ARC는 메타원자의 에지(들)를 넘어 연장되는 돌출부(408)를 가질 수 있다. 일부 사례에서, ARC의 연속 부분(410)은 2개 이상의 메타원자(400)를 덮을 수 있다. ARC(406)에 대한 재료의 예는 질화규소(예를 들어, SiNx 또는 Si3N4)이며, 이는 Si와 공기 사이의 굴절률을 갖는다.
동일한 또는 상이한 재료로 이루어진 ARC(412)는 기판(402)의 노출된 부분(즉, 메타원자(400)를 향하는 측면)에 존재할 수 있다. 일부 경우에(예를 들어, 기판(402)이 유리로 구성되는 경우), ARC(412)는, 예를 들어 유리와 공기 사이의 굴절률을 갖는 불화마그네슘(MgF2)으로 구성될 수 있다. 반면에, 메타원자(400)와 기판(402)이 모두 실리콘으로 구성되는 경우, ARC(412)는, 예를 들어 Si3N4로 구성될 수 있다.
또한, 일부 구현에서, 기판(402)의 실질적으로 평탄한(즉, 구조화되지 않은) 후면에 다른 ARC(414)가 제공될 수 있다. ARC(414)는 단일 층으로 구성될 수 있거나, 또는 서로 다를 수 있는 다수의 층으로 구성될 수 있다. 다수의 서로 다른 AR 층으로 이루어진 ARC(414)를 제공하는 것은, 예를 들어 더 넓은 범위의 파장 및/또는 입사각에 걸쳐 반사를 감소시키는 데 유리할 수 있다.
구현에 따라, 하나 이상의 ARC는 메타원자의 상부 표면, 메타원자의 측면, 및/또는 메타원자를 향하는 기판 표면에 적용될 수 있다. 도 6 내지 도 10은 다양한 구현의 예를 예시한다. 특히, 도 6은 메타원자(400)의 상부 표면에 제1 ARC(602)를 적용하고, 메타원자(400)의 측면에 제2 ARC(604)를 적용하고, 메타원자를 향하는 기판(402)의 표면에 제3 ARC(606)를 적용한 예를 도시한다. ARC(602, 604, 606)의 각각의 조성은 동일하거나 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에, 3개의 ARC(602, 604, 606)가 모두 동일한 조성(예를 들어, SiNx)을 가질 수 있으며 동시에 적용될 수 있다. 다른 경우에, ARC(602, 604)는 제1 조성을 가질 수 있는 반면, ARC(606)는 상이한 제2 조성을 가질 수 있다. 또한, 일부 구현에서, 도 7의 예에 도시된 바와 같이, 제1, 제2 및 제3 ARC(602, 604, 606)의 두께(t1, t2, t3)는 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 메타원자(400)의 측벽을 따른 ARC(604)의 두께(t2)는 메타원자(400)의 상부 및 메타원자를 향하는 기판(402)의 표면 상의 ARC(602, 606)의 두께(t1, t3)보다 상당히 얇을 수 있다.
도 8은 메타원자(400)의 상부 표면에 제1 ARC(602)가 존재하고, 메타원자를 향하는 기판(402)의 표면에 다른 ARC(606)가 존재하는 다른 예를 예시한다. 이 예에서, 메타원자(400)의 측벽은 실질적으로 노출된 상태로 유지된다(즉, ARC에 의해 덮이지 않음). 일부 구현에서, ARC는 메타원자(400)의 상부 표면에만 존재할 수 있거나(도 9 참조), 또는 메타원자(400)를 향하는 기판(402)의 표면에만 존재할 수 있다(도 10 참조).
도 11은 메타원자(400)의 상부에 제1 ARC(602A)가 존재하고, 제1 ARC(602A) 상에 제2 ARC(602B)가 존재하는 다른 예를 예시한다. 특정 구현에서, 기판(402)은 유리(예를 들어, 굴절률 nSiO2가 약 1.51인 SiO2)로 구성되고, 메타원자는 굴절률 naSi가 약 3.52인 비정질 실리콘으로 구성된다. 제1 및 제2 ARC(602A, 602B)의 조성은 그 각각의 굴절률 nARC1, nARC2가 다음 기준을 만족하도록 선택될 수 있다: naSi > nARC1 > nSiO2 > nARC2. 예를 들어, 일부 경우에, 제1 ARC(602A)는 Si3N4(굴절률이 약 1.96)로 구성되고, 제2 ARC(602B)는 MgF2(굴절률이 약 1.34)로 구성된다.
도 12a 내지 도 12h는 도 11의 구조를 제조하기 위한 예시적인 일련의 제조 프로세스를 예시한다. 도 12a에 도시된 바와 같이, 비정질 실리콘(a-Si) 층(400A)이 유리 기판(402) 상에 제공된다. 다음으로, 도 12b에 나타낸 바와 같이, Si3N4 층(602A)이 a-Si 층(400A) 상에 퇴적된다. 아래에 설명되는 바와 같이, Si3N4 층(602A)은 후속적으로 패턴화될 수 있으며 제1 ARC 역할을 할 수 있다. 도 12c에 도시된 바와 같이, 금속(예를 들어, 크롬(Cr)) 층(604)은 Si3N4 층(602A) 상에 퇴적되고, 도 12d에 나타낸 바와 같이, 나노임프린트 리소그래피 레지스트 층(606)이 Cr 층(604) 상에 형성된다. 이어서, 도 12e에 나타낸 바와 같이, 레지스트 층(606)을 에칭 마스크로 사용하여 제1 에칭이 수행되어, Cr 층(604)을 통해 선택적으로 에칭할 수 있다. 또한, 도 12f에 나타낸 바와 같이, 나머지 레지스트 층(606)이 제거될 수 있으며, Cr 층(604)을 에칭 마스크로 사용하여 제2 에칭이 수행되어, Si3N4 층(602A)을 통해 선택적으로 에칭할 수 있다. 다음으로, 도 12g에 나타낸 바와 같이, a-Si 층(400A)을 통해 선택적으로 에칭하는 제3 에칭을 수행하여 메타원자(400)를 형성할 수 있다. 이어서, 도 12h에 도시된 바와 같이, MgF2 층(602B)은 Si3N4 ARC 층(602A)의 상부 및 메타원자(400)를 향하는 기판(402)의 표면의 노출된 부분 상에 선택적으로 퇴적될 수 있다. MgF2 층(602B)은 제2 ARC 역할을 한다. 일부 구현에서, 하나 이상의 ARC는 또한 기판(402)의 실질적으로 평탄한 후면에 제공될 수 있다.
ARC를 적용하기 위해 다양한 기술이 사용될 수 있다. 사용될 수 있는 기술의 예에는 저압 화학 기상 증착(LPCVD), 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD), 원자 층 증착(ALD), 스퍼터 코팅, 스프레이 코팅, 또는 펄스 레이저 증착(PLD)이 포함된다. 다른 기술도 사용될 수 있다.
일부 구현은, 유리 기판 대신, 단파 적외선 파장(예를 들어, 1380 nm - 1550 nm)에 대해 투명할 수 있는 실리콘 기판을 포함한다. 일부 사례에서, 실리콘 기판은 유리 기판에 비해 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 실리콘 기판은 전형적으로 CMOS 파운드리에서 허용되지만, 반면에 유리 기판은 때로는 허용되지 않는다. 또한, 기계적 특성(예를 들어, 낮은 웨이퍼 보우(wafer bow)) 및 광학적 특성(예를 들어, 심자외선(DUV) 파장에서 불투명함)으로 인해, 실리콘 기판은 DUV 리소그래피 공정과 완전히 호환될 수 있다. 대조적으로, 유리 기판의 광학 리소그래피(DUV)는 접합을 이용하는 상대적으로 복잡한 프로세스 흐름을 요구할 수 있다. 또한, 전체가 실리콘인 메타 광학 요소(MOE)는 CMOS 전자 장치와 모놀리식으로 통합될 수 있다. 실리콘 기판을 사용하는 상황에서는, 지연 효과(즉, 큰 간극보다 더 작은 간극의 에칭)를 감소시키기 위해 에칭 정지층을 제공하는 것이 도움이 될 수 있다. 도 13은 ARC(204)(재료 4)의 일부가 메타원자(200)(재료 1) 아래에 존재하고 에칭 정지층 역할을 하는 예를 예시한다. 예시된 예에서, 기판은 실리콘(예를 들어, 결정질 실리콘)으로 구성되고, 메타원자는 비정질 실리콘(a-실리콘)으로 구성되며, 에칭 정지층은 반사 방지 코팅의 역할도 할 수 있는 유전체 재료(예를 들어, Si3N4)로 구성된다. 일부 사례에서, 에칭 정지층과 메타원자 기둥 상부의 제1 ARC는 동일한 재료(예를 들어, Si3N4)로 구성된다. 다른 사례에서, 이들은 서로 다른 재료로 구성될 수 있다.
도 14a 내지 도 14d는 도 13의 구조를 제조하는 예시적인 방법을 예시한다. 도 14a에 나타낸 바와 같이, 제1 유전체 층(예를 들어, Si3N4)은, 예를 들어 퇴적에 의해 결정질 실리콘(c-실리콘) 기판 상에 제공되고, 비정질 실리콘 층은, 예를 들어 퇴적에 의해 제1 유전체 층 상에 제공되며, 제2 유전체 층(예를 들어, Si3N4)은, 예를 들어 퇴적에 의해 비정질 실리콘 층 상에 제공된다. 다음으로, 도 14b에 나타낸 바와 같이, (메타원자 기둥의 상부에 제1 ARC를 제공하는) 제2 유전체 층은, 예를 들어 전자 빔 리소그래피, 나노임프린트 리소그래피, 또는 반응성 이온 에칭 중 하나 이상을 사용하여 패턴화된다. 이어서, 도 14c에 나타낸 바와 같이, 패턴은, 예를 들어 반응성 이온 에칭에 의해 비정질 실리콘 층에 전사되어 메타원자를 형성한다. 이러한 제조 프로세스에서, 하부 유전체 층은 에칭 정지층의 역할을 할 수 있으며, 이는 일부 사례에서, (예를 들어, 대량 제조 프로세스의 일부로서) 보다 효율적인 패턴 전사를 유발할 수 있다. 그 후, 도 14d에 나타낸 바와 같이, 제2 ARC에 대한 유전체 재료는, 예를 들어 스퍼터링에 의해 메타원자 기둥의 상부인 제1 ARC 상에 퇴적될 수 있다.
일부 구현에서, 도 15에 도시된 바와 같이, 캡슐화부(610)가 메타표면 위에 제공될 수 있다. 캡슐화부(610)는 메타원자(400)뿐만 아니라 메타표면의 전면에 있는 ARC(602A, 602B)를 덮을 수 있으며, 예를 들어 습기 및 기타 요소로부터 보호를 제공하는 데 도움이 될 수 있으며 마모 및 인열을 감소시키는 데 도움이 될 수 있다. 캡슐화부가 제공되어야 하는 상황에서, ARC(602B)에 대한 재료는 주변 매질(즉, 캡슐화부(610)에 대한 재료)의 굴절률이 공기의 굴절률과 다를 수 있다는 점을 고려하여 선택되어야 한다.
응용에 따라, 상기의 예에서 설명된 바와 같은 메타표면을 포함하는 광학 요소는 동작 파장의 광이 메타표면의 전면(즉, 구조화된 표면을 갖는 메타표면의 측면) 또는 후면에 입사되도록 구성될 수 있다.
일부 구현에서, AR 구조화는, 메타표면의 표면 위에 하나 이상의 ARC를 적용하는 대신 또는 그에 추가하여, 반사를 감소시키기 위해 메타원자의 형상을 변경하거나 또는 메타원자에 질감 있는 피처를 제공하는 것을 포함한다.
도 16은 반사를 감소시키는 데 도움이 되도록 메타원자(400)의 형상을 변경한 예를 예시한다. 이 예에서, 메타원자(400)의 측벽(702)은 실질적으로 수직이 아닌 테이퍼형(즉, 경사형)이다. 즉, 메타원자는, 예를 들어 원통형 기둥으로 형성되는 것이 아니라, 절두 원추 또는 피라미드 형상을 가질 수 있다. 일부 구현에서는, 원치 않는 반사를 감소시키는 데 도움이 되도록 메타원자의 형상에 대한 다른 변경이 사용될 수 있다. 일부 사례에서, 테이퍼형 메타원자의 표면에 ARC를 제공하여 반사를 훨씬 더 감소시키는 데 도움을 줄 수 있다. 예를 들어, 도 17에 도시된 바와 같이, 매우 등각적인 또는 균일한 ARC(704)가 달성될 수 있다. 다른 사례에서, 도 18의 예에 도시된 바와 같이, 테이퍼형 메타원자(400)의 표면 상의 ARC(706)는 매우 등각적이지 않거나 또는 균일하지 않을 수 있다. 즉, ARC(706)의 두께는 다양할 수 있다.
도 19 및 도 20은 원치 않는 반사를 감소시키는 데 도움이 되도록 질감 있는 AR 피처(802, 804)를 메타원자에 제공하는 예를 예시한다. 도 17에서, 질감 있는 AR 피처(802)는 메타원자(400)의 재료와 다른 재료로 구성된다. AR 피처(802)는, 예를 들어 메타원자(400) 위에 코팅을 퇴적하고 나서, 코팅을 임프린트하여 질감 있는 피처(802)를 형성하는 것에 의해 형성될 수 있다. 대안적으로, 코팅은 퇴적되고 나서 조면화되어(예를 들어, 에칭에 의해) 질감 있는 AR 피처(802)를 형성할 수 있다. 도 18에서, 질감 있는 AR 피처(804)는 메타원자(400)의 재료와 동일한 재료로 구성된다. AR 피처(804)는, 예를 들어 직접 임프린팅에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 나노임프린트 리소그래피는 동일한 임프린팅 프로세스 동안 메타원자(400) 및 질감 있는 AR 피처(804)를 형성하는 데 사용될 수 있다. 대안적으로, 메타원자(400)의 표면은 조면화되어(예를 들어, 에칭에 의해) 질감 있는 AR 피처(804)를 형성할 수 있다.
앞서 설명한 상세한 설명 및 도면으로부터 다양한 변형이 쉽게 명백해질 것이다. 일부 사례에서, 서로 다른 구현과 관련하여 앞서 설명한 특징은 동일한 구현에서 조합될 수 있다. 따라서, 다른 구현도 청구범위의 범주 내에 있다.

Claims (24)

  1. 장치이며,
    메타표면을 포함하는 광학 요소; 및
    메타표면의 적어도 일부 상에 배치된 제1 반사 방지 코팅을 포함하는, 장치.
  2. 제1항에 있어서, 메타표면은 구조화되는, 장치.
  3. 제1항에 있어서, 메타표면은 기판 상에 배치된 메타원자를 포함하고, 제1 반사 방지 코팅은 메타원자 상에 배치되는, 장치.
  4. 제3항에 있어서, 제1 반사 방지 코팅은 메타원자의 상부 및 측벽 표면 상에 배치되는, 장치.
  5. 제3항에 있어서, 제1 반사 방지 코팅의 재료는 또한 메타원자를 향하는 기판의 표면 상에 배치되는, 장치.
  6. 제3항에 있어서, 메타원자를 향하는 기판의 표면 상에 제2 반사 방지 코팅을 더 포함하고, 제2 반사 방지 코팅의 조성은 제1 반사 방지 코팅의 조성과 다른, 장치.
  7. 제3항에 있어서, 제1 반사 방지 코팅은 메타원자의 에지를 넘어 연장되는, 장치.
  8. 제3항에 있어서, 제1 반사 방지 코팅 상에 제2 반사 방지 코팅을 더 포함하고, 제2 반사 방지 코팅의 조성은 제1 반사 방지 코팅의 조성과 다른, 장치.
  9. 제8항에 있어서, 제1 반사 방지 코팅은 제2 반사 방지 코팅의 굴절률보다 더 큰 굴절률을 갖는, 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    메타표면은 기판 상에 배치된 메타원자를 포함하고,
    메타원자와 기판은 실리콘으로 구성되고,
    제1 반사 방지 코팅은 메타원자 상에 그리고 메타원자를 향하는 기판의 표면 상에 배치되고,
    제1 반사 방지 코팅은 질화규소로 구성되는, 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    메타표면은 기판 상에 배치된 메타원자를 포함하고,
    메타원자는 기판과 다른 재료로 구성되고,
    제1 반사 방지 코팅은 메타원자 상에 배치되고,
    메타원자를 향하는 기판의 표면 상에는 제2 반사 방지 코팅이 있으며, 제2 반사 방지 코팅의 조성은 제1 반사 방지 코팅의 조성과 다른, 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    메타원자는 실리콘으로 구성되며, 제1 반사 방지 코팅은 질화규소로 구성되고,
    기판은 유리로 구성되며, 제2 반사 방지 코팅은 불화마그네슘으로 구성되는, 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    메타표면은 에칭 정지층 상에 배치된 메타원자를 포함하고,
    제1 반사 방지 코팅은 메타원자 상에 배치되는, 장치.
  14. 제13항에 있어서, 에칭 정지층은 결정질 실리콘 기판 상에 배치되고, 메타원자는 비정질 실리콘으로 구성되는, 장치.
  15. 제14항에 있어서, 제1 반사 방지 코팅 또는 에칭 정지층 중 적어도 하나는 질화규소로 구성되는, 장치.
  16. 제14항에 있어서, 에칭 정지층은 반사 방지 코팅 재료로 구성되는, 장치.
  17. 장치이며,
    메타표면을 포함하는 광학 요소를 포함하고,
    메타표면은 광학 반사를 감소시키는 형상을 갖는 메타원자를 포함하는, 장치.
  18. 제17항에 있어서, 메타원자는 절두 원추 또는 피라미드 형상을 갖는, 장치.
  19. 제17항에 있어서, 메타표면 상에 배치된 반사 방지 코팅을 더 포함하는, 장치.
  20. 제19항에 있어서, 반사 방지 코팅은 불균일한 두께를 갖는, 장치.
  21. 장치이며,
    메타표면을 포함하는 광학 요소로서, 메타표면은 메타원자를 포함하는, 광학 요소;
    메타원자 상의 질감 있는 반사 방지 피처를 포함하는, 장치.
  22. 제21항에 있어서, 질감 있는 반사 방지 피처는 메타원자와 다른 재료로 구성되는, 장치.
  23. 제21항에 있어서, 질감 있는 반사 방지 피처는 메타원자와 동일한 재료로 구성되는, 장치.
  24. 제21항에 있어서, 질감 있는 반사 방지 피처는 메타원자 상에 임프린트되는, 장치.
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