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KR20240141609A - Meta lens, electronic device including the same, and method of manufacturing meta lens - Google Patents

Meta lens, electronic device including the same, and method of manufacturing meta lens Download PDF

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KR20240141609A
KR20240141609A KR1020230097032A KR20230097032A KR20240141609A KR 20240141609 A KR20240141609 A KR 20240141609A KR 1020230097032 A KR1020230097032 A KR 1020230097032A KR 20230097032 A KR20230097032 A KR 20230097032A KR 20240141609 A KR20240141609 A KR 20240141609A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
metalens
manufacturing
layer
lens
nanostructures
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
KR1020230097032A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
노준석
김주훈
성준화
Original Assignee
포항공과대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 포항공과대학교 산학협력단 filed Critical 포항공과대학교 산학협력단
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Priority to US18/404,124 priority patent/US20240319407A1/en
Priority to CN202410266790.1A priority patent/CN118671868A/en
Publication of KR20240141609A publication Critical patent/KR20240141609A/en
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Abstract

개시된 메타 렌즈는 기판; 상기 기판 상에 마련된 복수의 나노구조물; 및 상기 복수의 나노구조물의 표면을 따라 형성되며, 상기 복수의 나노구조물보다 높은 굴절률의 물질을 포함하는 고굴절 원자층;을 포함한다. The disclosed meta-lens comprises a substrate; a plurality of nanostructures provided on the substrate; and a high-refractive-index atomic layer formed along a surface of the plurality of nanostructures and including a material having a higher refractive index than the plurality of nanostructures.

Description

메타 렌즈, 메타 렌즈 제조 방법 및 메타 렌즈를 포함하는 전자 장치{Meta lens, electronic device including the same, and method of manufacturing meta lens}Meta lens, electronic device including the same, and method of manufacturing meta lens

개시된 실시예들은 메타 렌즈 및 이의 제조 방법에 대한 것이다. The disclosed embodiments relate to a metalens and a method of manufacturing the same.

메타 렌즈는 메타 구조(meta-structure)를 활용하는 평판형 회절 소자로서, 기존의 굴절 소자가 구현하지 못하는 다양한 광학 효과를 나타낼 수 있고 얇은 광학계를 구현할 수 있어 많은 분야에서 관심이 높아지고 있다.A meta-lens is a planar diffractive element that utilizes a meta-structure. It can exhibit various optical effects that conventional refractive elements cannot achieve and can implement thin optical systems, so it is receiving increasing attention in many fields.

메타 구조(meta-structure)는 입사광의 파장보다 작은 수치가 형상, 주기 등에 적용된 나노 구조물을 포함한다. 원하는 광학 성능에 알맞은 위상 프로파일이 나노구조물들의 배열과 형상을 조절하여 구현될 수 있으며, 이러한 설계 사항이 공정을 통해 잘 구현되는 것이 필요하다.Meta-structures include nanostructures whose shape, period, etc. are applied with a value smaller than the wavelength of incident light. A phase profile suitable for the desired optical performance can be implemented by controlling the arrangement and shape of the nanostructures, and it is necessary that these design specifications are well implemented through the process.

최근, 메타 렌즈를 대량 생산할 수 있는 제조 방법에 대한 연구가 진행되고 있다. 예를 들어, i-line stepper lithography, KrF stepper lithography 등을 사용하여 원하는 나노구조물 형상이 잘 구현되는 대량 생산 공정이 시도되고 있다. 하지만, 낮은 패터닝 해상도 및 사용 가능한 물질의 한계 등으로, 가시광 전영역에서 활용될 수 있는 메타 렌즈 제작에 어려움이 있다.Recently, research has been conducted on manufacturing methods that can mass-produce meta-lenses. For example, mass production processes that can well implement the desired nanostructure shape are being attempted using i-line stepper lithography, KrF stepper lithography, etc. However, due to low patterning resolution and limitations in available materials, it is difficult to produce meta-lenses that can be utilized in the entire visible light range.

메타 렌즈 및 이의 제조방법을 제공한다.A metalens and a method for manufacturing the same are provided.

실시예에 따르면, 기판; 상기 기판 상에 마련된 복수의 나노구조물; 및 상기 복수의 나노구조물의 표면을 따라 형성되며, 상기 복수의 나노구조물보다 높은 굴절률의 물질을 포함하는 고굴절 원자층;을 포함하는, 메타 렌즈가 제공된다. According to an embodiment, a metalens is provided, including: a substrate; a plurality of nanostructures provided on the substrate; and a high-refractive-index atomic layer formed along a surface of the plurality of nanostructures and including a material having a higher refractive index than the plurality of nanostructures.

상기 고굴절 원자층은 TiO2를 포함할 수 있다. The above high refractive atomic layer may include TiO 2 .

상기 고굴절 원자층의 두께는 20㎚ 이상 30㎚ 이하일 수 있다. The thickness of the above high refractive atomic layer may be 20 nm or more and 30 nm or less.

상기 고굴절 원자층의 두께는 상기 고굴절 원자층이 코팅된 상기 나노구조물에 의한 녹색광의 편광 변환 효율이 70% 이상이 되도록 정해질 수 있다. The thickness of the high-refractive-index atomic layer can be determined so that the polarization conversion efficiency of green light by the nanostructure coated with the high-refractive-index atomic layer is 70% or more.

상기 고굴절 원자층은 ZrO2를 포함할 수 있다. The above high refractive atomic layer may include ZrO 2 .

상기 복수의 나노구조물은 자외선 경화성 레진을 포함할 수 있다. The plurality of nanostructures may include an ultraviolet curable resin.

상기 기판과 상기 복수의 나노구조물 사이에는 상기 복수의 나노구조물과 같은 물질을 포함하는 플랫층이 더 구비될 수 있다. A flat layer including the same material as the plurality of nanostructures may be further provided between the substrate and the plurality of nanostructures.

실시예에 따르면, 상술한 어느 하나의 메타 렌즈를 포함하는 렌즈 어셈블리; 상기 렌즈 어셈블리에 의해 형성된 피사체의 광학 상을 전기적 신호로 바꾸는 이미지 센서; 및 상기 이미지 센서에서의 신호를 처리하는 프로세서;를 포함하는, 전자 장치가 제공된다. According to an embodiment, an electronic device is provided, including: a lens assembly including one of the above-described meta lenses; an image sensor for converting an optical image of a subject formed by the lens assembly into an electrical signal; and a processor for processing a signal from the image sensor.

실시예에 따르면, 영상광을 제공하는 디스플레이 소자; 상기 디스플레이 소자에서 제공된 광을 사용자의 시야에 포커싱하는, 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 메타 렌즈; 및 상기 디스플레이 소자를 제어하는 프로세서;를 포함하는, 전자 장치가 제공된다.According to an embodiment, an electronic device is provided, comprising: a display element providing image light; a metalens according to any one of claims 1 to 8 for focusing light provided from the display element into a user's field of view; and a processor for controlling the display element.

상기 전자 장치는 상기 영상광이 사용자의 시야를 향하는 경로에 배치된 빔 스플리터;를 더 포함할 수 있고, 상기 프로세서는 사용자가 주시하는 환경에 알맞는 부가 영상을 출력하도록 상기 디스플레이 소자를 제어할 수 있다. The electronic device may further include a beam splitter arranged in a path through which the image light is directed toward the user's field of view; and the processor may control the display element to output an additional image suitable for the environment viewed by the user.

실시예에 따르면, 메타 렌즈의 제조방법에 있어서, 상기 메타 렌즈에 구비될 복수의 나노구조물 배열과 동일한 제1패턴이 형성된 마스터 스탬프를 제조하는 단계; 상기 마스터 스탬프를 복제하여 레플리카 몰드를 제조하는 단계; 레플리카 몰드를 자외선 경화성 레진에 임프린트 하여 상기 복수의 나노구조물을 포함하는 나노구조층을 형성하는 단계; 및 상기 복수의 나노구조물의 표면에 컨포멀하게 고굴절 원자층을 형성하는 단계;를 포함하는, 메타 렌즈 제조방법이 제공된다. According to an embodiment, a method for manufacturing a meta-lens is provided, comprising: a step of manufacturing a master stamp having a first pattern formed identical to a plurality of nanostructure arrays to be provided in the meta-lens; a step of manufacturing a replica mold by replicating the master stamp; a step of forming a nanostructure layer including the plurality of nanostructures by imprinting the replica mold into an ultraviolet-curable resin; and a step of conformally forming a high-refractive-index atomic layer on the surfaces of the plurality of nanostructures.

상기 마스터 스탬프 제조에 사용될 레티클을 준비하는 단계;를 더 포함할 수 있다. The step of preparing a reticle to be used in manufacturing the above master stamp may further be included.

상기 마스터 스탬프를 제조하는 단계는 기판 상에 하드 마스크층을 형성하는 단계; 상기 하드 마스크층 상에 포토리지스트층을 형성하는 단계; 상기 포토리지스트층을 상기 제1패턴을 갖도록 패터닝 하는 단계; 상기 제1패턴으로 패턴된 포토리지스트층을 식각 마스크로 하여 상기 하드 마스크층을 식각하는 단계; 상기 패턴된 포토리지스트층과 식각된 하드 마스크층을 식각 마스크로 하여, 상기 기판을 식각하는 단계;를 포함할 수 있다. The step of manufacturing the above master stamp may include a step of forming a hard mask layer on a substrate; a step of forming a photoresist layer on the hard mask layer; a step of patterning the photoresist layer to have the first pattern; a step of etching the hard mask layer using the photoresist layer patterned with the first pattern as an etching mask; and a step of etching the substrate using the patterned photoresist layer and the etched hard mask layer as etching masks.

상기 패터닝 하는 단계에서 렌즈 광학계의 광축 근방으로 입사하는 일부 광만을 사용한 스텝 및 스캔 방식의 노광 공정이 사용될 수 있다. In the above patterning step, a step and scan exposure process using only some of the light incident near the optical axis of the lens optical system can be used.

상기 기판은 4 inch 이상의 직경을 가지는 실리콘 기판일 수 있다. The above substrate may be a silicon substrate having a diameter of 4 inches or more.

상기 하드 마스크층은 amorphous carbon layer를 포함할 수 있다. The above hard mask layer may include an amorphous carbon layer.

상기 고굴절 원자층은 TiO2를 포함할 수 있다. The above high refractive atomic layer may include TiO 2 .

상기 고굴절 원자층의 두께는 20㎚ 이상 30㎚ 이하일 수 있다. The thickness of the above high refractive atomic layer may be 20 nm or more and 30 nm or less.

상술한 메타 렌즈는 가시광 파장 대역의 광에 대해 높은 효율로 동작할 수 있다. The above-described meta-lens can operate with high efficiency for light in the visible light wavelength band.

상술한 메타 렌즈 제조 방법에 의하면, 메타 렌즈의 대량 생산이 가능하며, 공정 수율도 향상될 수 있다.According to the above-described method for manufacturing a meta-lens, mass production of a meta-lens is possible, and the process yield can also be improved.

상술한 메타 렌즈 제조 방법에 의하면, 임프린트 공정을 위한 자외선 경화성레진을 다양하게 선택할 수 있는 자유도가 높다.According to the above-described method for manufacturing a metalens, there is a high degree of freedom in selecting a variety of ultraviolet-curable resins for the imprint process.

도 1은 실시예에 따른 메타 렌즈의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 2는 실시예에 따른 메타 렌즈에 구비되는 나노구조물의 예시적인 형상을 보이는 부분 절개 사시도이다.
도 3은 실시예에 따른 메타 렌즈에 구비되는 나노구조물의 높이 및 나노구조물에 코팅된 고굴절 원자층의 두께에 따른 변환 효율을 보이는 시뮬레이션 도면이다.
도 4는 실시예에 따른 메타 렌즈에 구비되는 나노구조물 단면의 폭과 길이에 따른 변환 효율을 보이는 시뮬레이션 도면이다.
도 5는 실시예에 따른 메타 렌즈에 구비되는 나노구조물에 코팅된 고굴절 원자층의 두께에 따른 변환 효율을 R, G, B 파장의 광에 대해 보이는 시뮬레이션 도면이다.
도 6은 실시예에 따른 메타 렌즈에 구비되는 나노구조물에 의한 전기장 분포를 보이는 시뮬레이션 도면이다.
도 7은 실시예에 따른 메타 렌즈에 구비되는 나노구조물에 코팅되는 고굴절 원자층의 두께에 따른 굴절률 변화를 보이는 시뮬레이션 도면이다.
도 8은 비교예에 따른 메타 렌즈에 구비되는 나노구조물에 의한 전기장 분포를 보이는 시뮬레이션 도면이다.
도 9는 실시예에 따른 메타 렌즈 제조 방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이다.
도 10a 내지 도 10e는 마스터 스탬프 제작에 사용되는 레티클을 제조하는 예시적인 과정을 보이는 도면들이다.
도 11a 내지 도 11i는 마스터 스탬프를 제조하는 예시적인 과정을 보이는 도면들이다.
도 12a 및 도 12b는 노광 공정의 세부 사항을 설명하는 도면들이다.
도 13a 내지 도 13e는 마스터 스탬프를 복제하여 레플리카 몰드를 형성하고 이를 이용하여 메타 렌즈를 제조하는 예시적인 과정을 보이는 도면들이다.
도 14는 실시예에 따른 메타 렌즈 제조방법에 따라 메타 렌즈들이 형성되어 있는 웨이퍼에 대한 현미경 사진을 보인다.
도 15은 실시예에 따른 메타 렌즈 제조방법에 따라 제조된 메타 렌즈의 일부를 확대한 현미경 사진들을 보인다.
도 16a 내지 도 17c는 실시예에 따른 메타 렌즈의 성능을 보이는 도면들이다.
도 18은 실시예에 따른 메타 렌즈에 의한 MTF를 보이는 그래프이다.
도 19는 실시예에 따른 메타 렌즈에 의한 해상도 성능을 보이는 도면들이다.
도 20은 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구조를 보인다.
도 21은 실시예에 따른 메타 렌즈가 가상 현실 장치에 적용될 수 있음을 실험적으로 보이는 사진들이다.
도 22는 다른 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구조를 보인다.
도 23은 또 다른 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구조를 보인다.
Fig. 1 is a cross-sectional view showing a schematic structure of a metalens according to an embodiment.
FIG. 2 is a partial cutaway perspective view showing an exemplary shape of a nanostructure provided in a metalens according to an embodiment.
FIG. 3 is a simulation diagram showing the conversion efficiency according to the height of the nanostructure provided in the meta lens according to the embodiment and the thickness of the high-refractive atomic layer coated on the nanostructure.
Figure 4 is a simulation diagram showing the conversion efficiency according to the width and length of the cross-section of the nanostructure provided in the meta lens according to the embodiment.
FIG. 5 is a simulation diagram showing the conversion efficiency according to the thickness of a high-refractive atomic layer coated on a nanostructure provided in a meta-lens according to an embodiment for light of R, G, and B wavelengths.
Figure 6 is a simulation diagram showing the electric field distribution by the nanostructures provided in the meta lens according to the embodiment.
Figure 7 is a simulation diagram showing the change in refractive index according to the thickness of a high-refractive atomic layer coated on a nanostructure provided in a meta lens according to an embodiment.
Figure 8 is a simulation diagram showing the electric field distribution by the nanostructures provided in the meta lens according to a comparative example.
Figure 9 is a flow chart schematically illustrating a method for manufacturing a metalens according to an embodiment.
FIGS. 10A to 10E are drawings showing exemplary processes for manufacturing a reticle used in producing a master stamp.
Figures 11a to 11i are drawings showing exemplary processes for manufacturing a master stamp.
Figures 12a and 12b are drawings explaining details of the exposure process.
FIGS. 13a to 13e are drawings showing an exemplary process of forming a replica mold by replicating a master stamp and using the same to manufacture a metalens.
Figure 14 shows a microscope photograph of a wafer on which meta-lenses are formed according to a method for manufacturing a meta-lens according to an embodiment.
FIG. 15 shows enlarged microscopic photographs of a portion of a meta-lens manufactured according to a method for manufacturing a meta-lens according to an embodiment.
Figures 16a to 17c are drawings showing the performance of a metalens according to an embodiment.
Fig. 18 is a graph showing the MTF by a metalens according to an embodiment.
Figure 19 is a drawing showing the resolution performance by a metalens according to an embodiment.
Fig. 20 shows a schematic structure of an electronic device according to an embodiment.
Figure 21 is a photograph showing experimentally that a meta-lens according to an embodiment can be applied to a virtual reality device.
Fig. 22 shows a schematic structure of an electronic device according to another embodiment.
Fig. 23 shows a schematic structure of an electronic device according to another embodiment.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 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. Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the attached drawings. The described embodiments are merely exemplary, and various modifications are possible from these embodiments. In the drawings below, the same reference numerals refer to the same components, and the size of each component in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of explanation.

이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.Hereinafter, the terms “upper” or “upper” may include not only things that are directly above in contact, but also things that are above in a non-contact manner.

제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 이러한 용어들은 구성 요소들의 물질 또는 구조가 다름을 한정하는 것이 아니다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but are used only to distinguish one component from another. These terms do not limit the material or structure of the components.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 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.Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. Also, when a part is said to "include" a certain component, this does not mean that it excludes other components, but rather that it may include other components, unless the contrary is specifically stated.

또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Additionally, terms such as “unit”, “module”, etc., described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented by hardware or software, or a combination of hardware and software.

“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.The use of the term “above” and similar referential terms may refer to both the singular and the plural.

방법을 구성하는 단계들은 설명된 순서대로 행하여야 한다는 명백한 언급이 없다면, 적당한 순서로 행해질 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.The steps of a method may be performed in any order, unless there is an explicit statement that they must be performed in the order described. Also, the use of any exemplary terms (e.g., etc.) is intended merely to elaborate the technical idea and does not limit the scope of the rights by such terms, unless otherwise defined by the claims.

도 1은 실시예에 따른 메타 렌즈의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.Fig. 1 is a cross-sectional view showing a schematic structure of a metalens according to an embodiment.

메타 렌즈(100)는 서브 파장(sub-wavelength) 형상 치수를 가지는 나노구조물(NS)을 활용한 회절 소자이다. 여기서, 서브 파장은 변조 대상인 입사광의 파장보다 작은 수치를 의미하며, 또는, 입사광의 파장 대역의 중심 파장보다 작은 수치를 의미한다. 메타 광학 소자에 구비되는 나노구조물(NS)들의 형상과 배열은 입사광에 대해 원하는 렌즈 성능, 예를 들어, 원하는 초점 거리, F수 등이 구현되도록 설정될 수 있다. 서브 파장 나노구조물은 (meta-atom)으로도 불릴 수 있고, 나노구조물들이 배열된 어레이는 메타 표면으로도 불릴 수 있다.A meta-lens (100) is a diffractive element that utilizes nanostructures (NS) having sub-wavelength shape dimensions. Here, the sub-wavelength means a value smaller than the wavelength of incident light that is a modulation target, or a value smaller than the center wavelength of the wavelength band of the incident light. The shape and arrangement of the nanostructures (NS) provided in the meta-optical element can be set so that a desired lens performance, for example, a desired focal length, F number, etc., is implemented for the incident light. The sub-wavelength nanostructure may also be called (meta-atom), and an array in which nanostructures are arranged may also be called a meta-surface.

메타 렌즈(100)는 기판(110), 기판(110) 상에 마련된 복수의 나노구조물(NS) 및 복수의 나노구조물(NS)의 표면을 따라 형성된 고굴절 원자층(135)을 포함한다. A meta lens (100) includes a substrate (110), a plurality of nanostructures (NS) provided on the substrate (110), and a high-refractive atomic layer (135) formed along the surfaces of the plurality of nanostructures (NS).

나노구조물(NS)과 기판(110) 사이에는 플랫층(132)이 위치할 수 있다. 플랫층(132)은 나노구조물(NS)과 같은 재질을 포함하며, 후술할 제조 과정에 따라 생길 수 있다. 플랫층(132)은 매우 얇거나, 또는 거의 없을 수도 있다. 복수의 나노구조물(NS)과 플랫층(132)을 통틀어서 나노구조층(130)으로 지칭하기로 한다. A flat layer (132) may be positioned between the nanostructure (NS) and the substrate (110). The flat layer (132) includes the same material as the nanostructure (NS) and may be formed according to the manufacturing process described below. The flat layer (132) may be very thin or may be almost nonexistent. A plurality of nanostructures (NS) and the flat layer (132) will be collectively referred to as a nanostructure layer (130).

기판(110)은 글래스(fused silica, BK7, 등), Quartz, polymer(PMMA, SU-8 등) 및 플라스틱 중의 재질 중 어느 하나로 이루어질 수 있고, 반도체 기판일수도 있다. 기판(110)은 나노구조물(NS)의 굴절률보다 낮은 굴절률의 물질로 이루어질 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.The substrate (110) may be made of any one of materials among glass (fused silica, BK7, etc.), Quartz, polymer (PMMA, SU-8, etc.), and plastic, and may also be a semiconductor substrate. The substrate (110) may be made of a material having a lower refractive index than that of the nanostructure (NS). However, the present invention is not limited thereto.

나노구조물(NS)은 주변 물질과 다른 굴절률을 가지는 물질로, 예를 들어 주변 물질보다 높은 굴절률의 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 나노구조물(NS)은 c-Si, p-Si, a-Si 및 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체(GaP, GaN, GaAs 등), SiC, TiO2, SiN 및/또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. Nanostructures (NS) are materials having a different refractive index than the surrounding material, for example, they may be made of materials having a higher refractive index than the surrounding material. For example, nanostructures (NS) may include c-Si, p-Si, a-Si, and III-V compound semiconductors (GaP, GaN, GaAs, etc.), SiC, TiO2, SiN, and/or combinations thereof.

나노구조물(NS)은 자외선 경화성(UV curable) 레진을 포함할 수 있다. 나노구조물(NS)을 이루는 자외선 경화성 레진은 굴절률, 표면 에너지, shrinkage 등의 성질을 고려하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 표면 에너지가 낮고, shrinkage가 작으며, 가시광 파장 대역에서 굴절률이 높고 자외선 경화성 레진을 사용할 수 있다. The nanostructure (NS) may include a UV-curable resin. The UV-curable resin forming the nanostructure (NS) may be selected by considering properties such as refractive index, surface energy, and shrinkage. For example, a resin having low surface energy, small shrinkage, high refractive index in the visible light wavelength band, and being UV-curable may be used.

자외선 경화성 레진의 shrinkage는 예를 들어, 5% 미만일 수 있다. 자외선 경화성 레진은 가시광 파장 대역에서 대략 1.5~1.6의 굴절률을 나타낼 수 있다. The shrinkage of the UV-curable resin can be, for example, less than 5%. The UV-curable resin can exhibit a refractive index of approximately 1.5 to 1.6 in the visible wavelength band.

자외선 경화성 레진의 표면 에너지가 낮은 경우, 메타 렌즈(100)를 임프린트 방법을 사용하여 제조할 때, 임프린트 후, 레플리카 몰드를 나노구조물(NS)들로부터 분리하는 것이 용이하며, 제조 수율에도 유리하다. When the surface energy of the ultraviolet-curable resin is low, when manufacturing a meta lens (100) using an imprint method, it is easy to separate the replica mold from the nanostructures (NS) after imprinting, which is also advantageous for the manufacturing yield.

예를 들어, 자외선 경화성 레진의 표면 에너지가 높은 경우, 레플리카 몰드를 나노구조물(NS)로부터 잘 분리하기 위해 레플리카 몰드에 대해 별도의 표면 처리 공정이 더 필요할 수도 있다. For example, if the surface energy of the UV-curable resin is high, a separate surface treatment process may be required for the replica mold to properly separate the replica mold from the nanostructure (NS).

기존의 나노임프린팅을 통한 메타렌즈 공정은 가시광 영역의 높은 굴절률을 가진 particle을 레진에 혼합하여 메타렌즈의 성능을 향상시키는 방향으로 진행되어 왔으나, 이렇게 제작된 메타 렌즈는 효율이 50%정도에 불과하다. 실시예에서는, 이러한 particle을 레진에 혼합하는 과정을 없애, 사용할 수 있는 레진의 자유도가 높아질 수 있다. 또한, 별도의 표면처리 없이 후 공정이 진행될 수 있는 low surface energy과 low shirinkage (<5%) 특성을 지닌 레진 물질을 사용할 수 있다. 예를 들어, 자외선 경화성 레진으로 상용의 MINS-311RM 레진을 사용할 수 있다.The conventional metalens process using nanoimprinting has been conducted in the direction of improving the performance of the metalens by mixing particles with a high refractive index in the visible range into the resin. However, the metalens manufactured in this way have an efficiency of only about 50%. In the embodiment, the process of mixing such particles into the resin can be eliminated, so that the degree of freedom of the resin that can be used can be increased. In addition, a resin material having the characteristics of low surface energy and low shirinkage (<5%) that can be used for a post-process without a separate surface treatment can be used. For example, a commercial MINS-311RM resin can be used as an ultraviolet-curable resin.

고굴절 원자층(135)은 나노구조물(NS)의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지는 물질을 포함한다. 예를 들어, 나노구조물(NS)의 재질이 자외선 경화성 레진인 경우, 고굴절 원자층(135)은 자외선 경화성 레진 보다 높은 굴절률을 가지는 물질로 형성될 수 있다. 고굴절 원자층(135)은 예를 들어, TiO2를 포함할 수 있다. TiO2는 가시광 파장 대역에서 대략 2.5 정도의 굴절률을 나타낼 수 있다. 고굴절 원자층(135)의 재질은 TiO2로 한정되지 않으며, 가시광 파장 대역에서 자외선 경화성 레진보다 높은 굴절률을 나타내는 다양한 물질이 사용될 수 있다. 또는, 고굴절 원자층(135)의 재질은 메타 렌즈(100)의 용도에 따라, 가시광 파장 대역 외 다른 파장 대역에 적합한 물질일수도 있다. 예를 들어, 자외선 파장 대역에 적합한, ZrO2가 사용될 수도 있다.The high-refractive-index atomic layer (135) includes a material having a higher refractive index than the refractive index of the nanostructure (NS). For example, when the material of the nanostructure (NS) is an ultraviolet-curable resin, the high-refractive-index atomic layer (135) may be formed of a material having a higher refractive index than the ultraviolet-curable resin. The high-refractive-index atomic layer (135) may include, for example, TiO 2 . TiO 2 may exhibit a refractive index of approximately 2.5 in a visible light wavelength band. The material of the high-refractive-index atomic layer (135) is not limited to TiO 2, and various materials exhibiting a higher refractive index than the ultraviolet-curable resin in the visible light wavelength band may be used. Alternatively, the material of the high-refractive-index atomic layer (135) may be a material suitable for a wavelength band other than the visible light wavelength band, depending on the purpose of the metalens (100). For example, ZrO 2 suitable for an ultraviolet wavelength band may be used.

고굴절 원자층(135)은 나노구조물(NS)들의 재질이 나타내는 굴절률로는 가시광 파장 대역에서 원하는 렌즈 성능이 구현되기 어려울 수 있음을 고려하여 제안되고 있다. 나노구조물(NS)들의 재질은 제조상의 편의에 따라 정해질 수 있으나, 임프린트 방법을 이용하는 후술할 제조방법에 따라 나노구조물(NS)들의 재질은 제한될 수 있고, 원하는 굴절률을 맞추기 어려울 수 있다. 따라서, 나노구조물(NS)의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지는 물질로 나노구조물(NS)의 표면을 컨포멀하게 코팅하는 구조를 채용하고 있다. The high-refractive atomic layer (135) is proposed in consideration of the fact that it may be difficult to implement the desired lens performance in the visible light wavelength band with the refractive index exhibited by the material of the nanostructures (NS). The material of the nanostructures (NS) may be determined according to the convenience of manufacturing, but the material of the nanostructures (NS) may be limited depending on the manufacturing method described below using the imprint method, and it may be difficult to match the desired refractive index. Therefore, a structure is adopted in which the surface of the nanostructures (NS) is conformally coated with a material having a refractive index higher than the refractive index of the nanostructures (NS).

고굴절 원자층(135)의 두께는 메타 렌즈(100)의 광변조 효율, 즉, 고굴절 원자층(135)의 코팅된 나노구조물(NS)에 의한 광변조 효율을 고려하여 정할 수 있다. 광 변조 효율은 편광 변환 효율(conversion efficiency)로 표현될 수 있다. 예를 들어, 메타 렌즈(100)에 포함되는 복수의 나노구조물(NS)들의 배치 각도가 위치에 따라 다르게 정해지고, 따라서, 나노구조물(NS)들에 의한 입사광의 편광 변환이 위치에 따라 조절되는 방법으로 원하는 위상 프로파일이 구현될 수 있는데, 이 경우 편광 변환 효율이 높을수록 원하는 위상 프로파일이 잘 구현될 수 있다. 다만, 나노구조물(NS)들의 배열 형태는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 위치에 따라 다른 크기의 나노구조물(NS)을 배치하는 방법으로 원하는 위상 프로파일이 구현될 수도 있다.The thickness of the high-refractive-index atomic layer (135) can be determined by considering the light modulation efficiency of the metalens (100), that is, the light modulation efficiency by the coated nanostructures (NS) of the high-refractive-index atomic layer (135). The light modulation efficiency can be expressed as the polarization conversion efficiency. For example, the arrangement angles of a plurality of nanostructures (NS) included in the metalens (100) are determined differently depending on the position, and therefore, the polarization conversion of incident light by the nanostructures (NS) is controlled depending on the position, so that a desired phase profile can be implemented. In this case, the higher the polarization conversion efficiency, the better the desired phase profile can be implemented. However, the arrangement form of the nanostructures (NS) is not limited thereto. For example, a desired phase profile can also be implemented by a method of arranging nanostructures (NS) of different sizes depending on the position.

고굴절 원자층(135)의 두께는 대략 20㎚ 이상 30㎚ 이하일 수 있고, 20㎚ 이상 25㎚ 이하일 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 나노구조물(NS)의 세부적인 형상, 치수에 따라, 편광 변환 효율을 고려하여 정해질 수 있다. 예를 들어, 고굴절 원자층(135)의 두께는 고굴절 원자층(135)이 코팅된 나노구조물(NS)에 의한 가시광 전 파장 대역의 광의 편광 변환 효율이 60% 이상, 또는 65% 이상이 되도록 정해질 수도 있고, 또는 예를 들어, 녹색광의 편광 변환 효율이 60% 이상, 65% 이상, 70% 이상, 80% 이상 또는 85% 이상이 되도록 정해질 수도 있다. The thickness of the high-refractive-index atomic layer (135) may be approximately 20 nm to 30 nm, or 20 nm to 25 nm. However, the present invention is not limited thereto, and may be determined in consideration of the polarization conversion efficiency according to the detailed shape and dimensions of the nanostructure (NS). For example, the thickness of the high-refractive-index atomic layer (135) may be determined so that the polarization conversion efficiency of light in the entire visible wavelength band by the nanostructure (NS) coated with the high-refractive-index atomic layer (135) is 60% or more, or 65% or more, or, for example, the polarization conversion efficiency of green light is 60% or more, 65% or more, 70% or more, 80% or more, or 85% or more.

도 2는 실시예에 따른 메타 렌즈에 구비되는 나노구조물의 예시적인 형상을 보이는 부분 절개 사시도이다. FIG. 2 is a partial cutaway perspective view showing an exemplary shape of a nanostructure provided in a metalens according to an embodiment.

나노구조물(NS)은 높이(Height), 폭(Width), 길이(length)가 정의되는 직육면체 형상일 수 있다. 나노구조물(NS)의 표면 형상을 따라, 고굴절 원자층(135)의 소정 두께(Thickness)로 형성될 수 있다. The nanostructure (NS) may have a rectangular parallelepiped shape with defined height, width, and length. Along the surface shape of the nanostructure (NS), a high-refractive atomic layer (135) may be formed with a predetermined thickness.

이러한 형상 치수들의 세부 사항을 정하기 위한 시뮬레이션 결과를 도 3 내지 도 7을 참조하여 살펴보기로 한다. The simulation results for determining the details of these shape dimensions are examined with reference to Figs. 3 to 7.

도 3은 실시예에 따른 메타 렌즈에 구비되는 나노구조물의 높이 및 나노구조물에 코팅된 고굴절 원자층의 두께에 따른 변환 효율에 대한 시뮬레이션 결과를 보이는 도면이고, 도 4는 실시예에 따른 메타 렌즈에 구비되는 나노구조물 단면의 폭과 길이에 따른 변환 효율에 대한 시뮬레이션 결과를 보이는 도면이다.FIG. 3 is a drawing showing the results of a simulation for conversion efficiency according to the height of a nanostructure equipped in a meta-lens according to an embodiment and the thickness of a high-refractive atomic layer coated on the nanostructure, and FIG. 4 is a drawing showing the results of a simulation for conversion efficiency according to the width and length of a cross-section of a nanostructure equipped in a meta-lens according to an embodiment.

시뮬레이션에서, 입사광의 파장은 532㎚, 나노구조물(NS)의 길이, 폭, 높이는 각각 260㎚-400㎚, 70㎚-200㎚, 500㎚-900㎚의 범위, 나노구조물(NS)들의 배열 피치는 450㎚으로 하였다. 또한, 고굴절 원자층(135)의 두께 범위는 0㎚-40㎚로 하였다. 나노구조물(NS)의 재질은 자외선 경화성 레진, 고굴절 원자층(135)의 재질은 TiO2, 기판(110) 재질은 SiO2인 경우이다.In the simulation, the wavelength of the incident light was 532 nm, the length, width, and height of the nanostructures (NS) were in the ranges of 260 nm to 400 nm, 70 nm to 200 nm, and 500 nm to 900 nm, respectively, and the array pitch of the nanostructures (NS) was 450 nm. In addition, the thickness range of the high-refractive atomic layer (135) was set to 0 nm to 40 nm. The material of the nanostructure (NS) was UV-curable resin, the material of the high-refractive atomic layer (135) was TiO2, and the material of the substrate (110) was SiO2 .

도 4의 시뮬레이션 도면은 나노구조물(NS)의 높이를 900㎚, 고굴절 원자층(135)의 두께는 23㎚로 한 경우이다. The simulation drawing of Fig. 4 is for the case where the height of the nanostructure (NS) is 900 nm and the thickness of the high-refractive atomic layer (135) is 23 nm.

이러한 시뮬레이션을 통해, 나노구조물(NS)의 폭, 길이, 높이, 고굴절 원자층(135)의 두께가 적절히 설정될 수 있다.Through these simulations, the width, length, height, and thickness of the high-refractive-index atomic layer (135) of the nanostructure (NS) can be appropriately set.

도 5는 실시예에 따른 메타 렌즈에 구비되는 나노구조물(NS)에 코팅된 고굴절 원자층(135)의 두께에 따른 변환 효율을 R, G, B 파장의 광에 대해 보이는 시뮬레이션 도면이다. FIG. 5 is a simulation diagram showing the conversion efficiency according to the thickness of a high-refractive atomic layer (135) coated on a nanostructure (NS) provided in a meta lens according to an embodiment for light of R, G, and B wavelengths.

가시광 파장 전 대역에서, 높은 편광 변환 효율, 예를 들어, 60% 이상의 효율을 나타낼 수 있는 고굴절 원자층(135) 두께는 대략 20㎚-25㎚의 범위로 볼 수 있다. In the entire visible light wavelength band, the thickness of the high-refractive atomic layer (135) that can exhibit high polarization conversion efficiency, for example, an efficiency of more than 60%, can be seen to be in the range of approximately 20 nm to 25 nm.

도 5는 고굴절 원자층(135)의 두께를 23㎚로 제작하여 측정된 결과를 함께 보이고 있으며, 시뮬레이션 결과와 유사한 결과를 보임을 알 수 있다.Figure 5 shows the measured results by fabricating a high refractive atomic layer (135) with a thickness of 23 nm, and it can be seen that the results are similar to the simulation results.

도 6은 실시예에 따른 메타 렌즈에 구비되는 나노구조물에 의한 전기장 분포를 보이는 시뮬레이션 도면이다.Figure 6 is a simulation diagram showing the electric field distribution by the nanostructures provided in the meta lens according to the embodiment.

시뮬레이션 결과는 나노구조물(NS)의 높이 방향에 수직인 단면에서, 원편광된 입사광에 의해 여기된 두 주요 모드를 보이고 있다. quasi-TE(quasi transverse electric) 모드와 quasi-TM (quasi transverse magnetic) 모드가 각각 x 방향의 편광 성분, y 방향 편광 성분에 의해 여기되고 있다. 나노구조물(NS)의 복굴절성은 위 두 모드 간의 굴절률 차이(Δn)로 표현될 수 있으며, Δn이 클수록 높은 편광 변환 효율을 나타낼 수 있다. The simulation results show two main modes excited by circularly polarized incident light in the cross-section perpendicular to the height direction of the nanostructure (NS). The quasi-TE (quasi transverse electric) mode and the quasi-TM (quasi transverse magnetic) mode are excited by the x-direction polarization component and the y-direction polarization component, respectively. The birefringence of the nanostructure (NS) can be expressed by the refractive index difference (Δn) between the two modes, and a larger Δn indicates a higher polarization conversion efficiency.

도 7은 실시예에 따른 메타 렌즈에 구비되는 나노구조물에 코팅되는 고굴절 원자층의 두께에 따른 굴절률 변화를 보이는 시뮬레이션 도면이다.Figure 7 is a simulation diagram showing the change in refractive index according to the thickness of a high-refractive atomic layer coated on a nanostructure provided in a meta lens according to an embodiment.

도 7을 참조하면, 고굴절 원자층(135)의 두께에 따라 Δn이 증가하다가 포화되는 형태를 보인다. 도 5의 그래프에서 살펴본 것과 유사하게, 고굴절 원자층(135) 두께를 대략 20㎚-25㎚ 범위로 설정할 수 있음을 알 수 있다. Referring to Fig. 7, it can be seen that Δn increases and then saturates depending on the thickness of the high-refractive-index atomic layer (135). Similar to what was examined in the graph of Fig. 5, it can be seen that the thickness of the high-refractive-index atomic layer (135) can be set to approximately 20 nm to 25 nm.

도 8은 비교예에 따른 메타 렌즈에 구비되는 나노구조물에 의한 전기장 분포를 보이는 시뮬레이션 도면이다.Figure 8 is a simulation diagram showing the electric field distribution by the nanostructures provided in the meta lens according to a comparative example.

비교예의 메타 렌즈는 나노구조물(NS)이 자외선 경화성 레진을 포함하며, 실시예와 같은 고굴절 원자층은 포함하지 않는 구조이다.The meta-lens of the comparative example is a structure in which the nanostructure (NS) includes a UV-curable resin and does not include a high-refractive-index atomic layer like the example.

도 8을 참조하면, 원편광의 광에 의해, 즉, x 방향 편광 성분 및 y 방향 편광 성분에 의해, quasi-TE(quasi transverse electric) 모드와 quasi-TM (quasi transverse magnetic) 모드가 여기된다. 도 8을 실시예에 의한 결과인 도 6과 비교하여 볼 때, 비교예의 경우 실시예의 경우보다 낮은 Δn을 나타내고, 따라서, 낮은 편광 변환 효율을 나타낼 것으로 분석될 수 있다. Referring to Fig. 8, the quasi-TE (quasi transverse electric) mode and the quasi-TM (quasi transverse magnetic) mode are excited by circularly polarized light, that is, by the x-direction polarization component and the y-direction polarization component. When Fig. 8 is compared with Fig. 6, which is the result according to the embodiment, it can be analyzed that the comparative example exhibits a lower Δn than the embodiment, and therefore, exhibits lower polarization conversion efficiency.

또한, 실시예와 같이, 고굴절 원자층(135)을 나노구조물(NS) 표면에 컨포멀하게 형성한 구조의 메타 렌즈(100)는 비교예의 메타 렌즈, 즉, 고굴절 원자층이 구비되지 않은 경우에 비해, 외부 충격에도 강한 성능을 나타낼 수 있다. bending stiffness를 시뮬레이션한 결과, 실시예와 같이 고굴절 원자층(135)이 나노구조물(NS) 표면에 코팅된 구조의 bending stiffness는 35.621 N/m로, bending stiffness가 0.046N/m로 계산된 비교예의 나노구조물에 비해, 대략 770배에 이르는 높은 값을 나타내는 것으로 계산되었다. In addition, as in the embodiment, the meta-lens (100) having a structure in which the high-refractive-index atomic layer (135) is conformally formed on the surface of the nanostructure (NS) can exhibit a performance that is strong even against external impact, compared to the meta-lens of the comparative example, i.e., the case in which the high-refractive-index atomic layer is not provided. As a result of simulating the bending stiffness, the bending stiffness of the structure in which the high-refractive-index atomic layer (135) is coated on the surface of the nanostructure (NS) as in the embodiment was calculated to be 35.621 N/m, which is approximately 770 times higher than the nanostructure of the comparative example in which the bending stiffness was calculated to be 0.046 N/m.

도 9는 실시예에 따른 메타 렌즈 제조 방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이다.Figure 9 is a flow chart schematically illustrating a method for manufacturing a metalens according to an embodiment.

실시예에 따른 메타 렌즈 제조방법은 마스터 스탬프를 제조하는 단계(S300), 마스터 스탬프를 복제하여 레플리카 몰드를 형성하는 단계(S400), 레플리카 몰드를 자외선 경화성 레진에 임프린트하여 나노구조층을 형성하는 단계(S450), 나노구조층 표면에 고굴절 원자층을 형성하는 단계(S500)를 포함할 수 있다. 또한, 마스터 스탬프를 제조하기 전에, 마스터 스탬프 제조시의 노광 공정에 사용될 레티클을 준비하는 단계(S200)가 더 수행될 수 있다.A method for manufacturing a meta lens according to an embodiment may include a step of manufacturing a master stamp (S300), a step of forming a replica mold by duplicating the master stamp (S400), a step of forming a nanostructure layer by imprinting the replica mold into an ultraviolet-curable resin (S450), and a step of forming a high-refractive-index atomic layer on a surface of the nanostructure layer (S500). In addition, before manufacturing the master stamp, a step of preparing a reticle to be used in an exposure process during manufacturing the master stamp (S200) may be further performed.

도 10a 내지 도 10e는 마스터 스탬프 제작에 사용되는 레티클을 제조하는 예시적인 과정을 보이는 도면들이다. FIGS. 10A to 10E are drawings showing exemplary processes for manufacturing a reticle used in producing a master stamp.

도 10a를 참조하면, 투명 기판(210) 상에 포토리지스트층(220)이 형성된다.Referring to Fig. 10a, a photoresist layer (220) is formed on a transparent substrate (210).

도 10b를 참조하면, 포토리지스트층(220)에 정해진 패턴으로 노광 영역(221)을 형성한다. 이러한 과정은 전자 빔 리소그라피 방법으로 행해질 수 있다. Referring to Fig. 10b, an exposure area (221) is formed in a set pattern on a photoresist layer (220). This process can be performed using an electron beam lithography method.

다음, 현상(development) 공정으로 노광 영역(221)이 제거되면, 도 10c와 같이 포토리지스트층(220)이 패터닝 된다. 포토리지스트층(220)에 형성된 패턴은 제조하고자 하는 마스터 스탬프의 역상의 패턴에 상응한다. Next, when the exposure area (221) is removed by the development process, the photoresist layer (220) is patterned as shown in Fig. 10c. The pattern formed in the photoresist layer (220) corresponds to the reverse pattern of the master stamp to be manufactured.

도 10d를 참조하면, 패턴된 포토리지스트층(220) 위로 금속층(230)이 형성된다. 금속층(230)은 빛을 차단할 수 있는 다양한 금속을 포함할 수 있다. 금속층(230)은 예를 들어, Al을 포함할 수 있으며, 다만, 이에 한정되지 않는다. Referring to FIG. 10d, a metal layer (230) is formed over a patterned photoresist layer (220). The metal layer (230) may include various metals capable of blocking light. The metal layer (230) may include, for example, Al, but is not limited thereto.

도 10d의 구조에 리프트 오프(lift-off) 공정을 수행하여, 패턴된 포토리지스트층(220)을 제거한다. 이 때, 금속층(230) 중 포토리지스트층(220) 위에 형성된 부분이 포토리지스트층(220)과 함께 제거된다.A lift-off process is performed on the structure of Fig. 10d to remove the patterned photoresist layer (220). At this time, a portion of the metal layer (230) formed on the photoresist layer (220) is removed together with the photoresist layer (220).

도 10e를 참조하면, 투명 기판(210) 상에 패턴된 금속층(230)이 형성된 레티클(200)이 제공된다.Referring to FIG. 10e, a reticle (200) is provided in which a patterned metal layer (230) is formed on a transparent substrate (210).

도 11a 내지 도 11i는 마스터 스탬프를 제조하는 예시적인 과정을 보이는 도면들이다.Figures 11a to 11i are drawings showing exemplary processes for manufacturing a master stamp.

마스터 스탬프는 도 10a 내지 도 10e의 과정으로 마련된 레티클(200)을 사용한 노광 공정을 거쳐 제조될 수 있다.A master stamp can be manufactured through an exposure process using a reticle (200) prepared through the process of FIGS. 10a to 10e.

먼저, 11a를 참조하면, 기판(310) 상에 하드 마스크층(320)이 형성될 수 있다. 기판(310)은 예를 들어, 실리콘 기판일 수 있다. 기판(310)은 다양한 크기를 가질 수 있다. 기판(310)은 4 inch 이상의 직경을 가질 수 있고, 예를 들어, 4 inch, 6 inch, 8 inch 또는 12 inch의 직경을 가질 수 있으며, 예시된 크기에 한정되는 것은 아니다. 하드 마스크층(320)은 예를 들어, 비정질 탄소층(Amorphous Carbon Layer)일 수 있다. 하드 마스크층(320)의 재질은 하드 마스크층(320) 위로 형성될 포토리지스트 물질보다 낮은 식각 선택비를 갖는 물질이며, 비정질 탄소 물질로 한정되는 것은 아니다. First, referring to 11a, a hard mask layer (320) may be formed on a substrate (310). The substrate (310) may be, for example, a silicon substrate. The substrate (310) may have various sizes. The substrate (310) may have a diameter of 4 inches or more, for example, 4 inches, 6 inches, 8 inches, or 12 inches, but is not limited to the exemplified sizes. The hard mask layer (320) may be, for example, an amorphous carbon layer. The material of the hard mask layer (320) is a material having a lower etching selectivity than a photoresist material to be formed over the hard mask layer (320), and is not limited to an amorphous carbon material.

도 11b를 참조하면, 하드 마스크층(320) 상에 포토리지스트층(330)이 형성된다. Referring to FIG. 11b, a photoresist layer (330) is formed on a hard mask layer (320).

하드 마스크층(320)과 포토리지스트층(330)은 기판(310)을 소정 패턴으로 식각하기 위한 식각 마스크로 사용된다. 식각 마스크로 포토리지스트층(330) 만을 사용하는 경우, 포토리지스트층(330)은 식각 선택비가 매우 높아, 기판(310)에 형성되는 패턴의 깊이를 깊게 만들기 어렵다. 다시 말하면, 기판(310)이 원하는 깊이로 식각되기 전에 포토리지스트층(330)이 먼저 식각될 수 있어, 고종횡비의 구조체를 제조할 수 있는 마스터 스탬프가 제조되기 어렵다. 기판(310)과 포토리지스트층(330) 사이에 식각 선택비가 낮은 하드 마스크층(320)을 더 형성하여, 종횡비가 높은 구조체를 제조하기에 적합한 마스터 스탬프를 제조하기에 유리해질 수 있다. The hard mask layer (320) and the photoresist layer (330) are used as an etching mask for etching the substrate (310) into a predetermined pattern. When only the photoresist layer (330) is used as an etching mask, the photoresist layer (330) has a very high etching selectivity, making it difficult to make the depth of the pattern formed on the substrate (310) deep. In other words, the photoresist layer (330) may be etched first before the substrate (310) is etched to a desired depth, making it difficult to manufacture a master stamp capable of manufacturing a high aspect ratio structure. By further forming a hard mask layer (320) with a low etching selectivity between the substrate (310) and the photoresist layer (330), it may be advantageous to manufacture a master stamp suitable for manufacturing a high aspect ratio structure.

도 11c를 참조하면, 포토리지스트층(330)이 노광 공정으로 패터닝된다. 도 10a 내지 도 10e의 과정으로 마련된 레티클(200)은 노광 장치(250)가 제공하는 빛에 대한 노광 마스크의 역할을 한다. 노광 장치(250)에서 제공된 빛은 레티클(200) 상의, 금속층(230)이 형성되지 않은 부분만을 투과하여 노광 영역(331)들을 형성한다. 현상(development) 공정으로 노광 영역(331)들이 제거되면, 도 11d와 같이, 패턴된 포토리지스트층(330)이 형성된다. 이러한 노광 공정은 예를 들어, ArF Immersion Scanner를 활용하여 행해질 수 있다.Referring to FIG. 11c, the photoresist layer (330) is patterned by an exposure process. The reticle (200) prepared by the process of FIGS. 10a to 10e acts as an exposure mask for light provided by an exposure device (250). The light provided by the exposure device (250) transmits only the portion of the reticle (200) where the metal layer (230) is not formed, thereby forming exposure areas (331). When the exposure areas (331) are removed by a development process, a patterned photoresist layer (330) is formed, as shown in FIG. 11d. This exposure process can be performed, for example, by utilizing an ArF Immersion Scanner.

도 11e를 참조하면, 패턴된 포토리지스트층(330)을 식각 마스크로 하여 하드 마스크층(320)이 식각될 수 있다. Referring to FIG. 11e, the hard mask layer (320) can be etched using the patterned photoresist layer (330) as an etching mask.

도 11f를 참조하면, 포토리지스트층(330)과 하드 마스크층(320)을 식각 마스크로 하여 기판(310)이 식각된다. 앞서 설명한 바와 같이, 포토리지스트층(330) 만을 식각 마스크로 하여 기판(310)을 식각하는 경우, 식각 선택비가 높은 포토리지스트층(330)은 기판(310)이 원하는 깊이로 식각되기 전에 식각되어 없어질 수 있다. 실시예와 같이, 기판(310)과 포토리지스트층(330) 사이에 하드 마스크층(320)이 더 구비되는 경우, 포토리지스트층(330)이 모두 식각되어 남아 있지 않은 경우에도, 식각 선택비가 낮은 하드 마스크층(320)이 식각 마스크의 역할을 할 수 있다. 따라서, 기판(310)을 원하는 깊은 깊이로 식각하는 것이 가능해진다. 다음, 포토리지스트층(330)과 하드 마스크층(320)을 제거하면, 도 11g와 같이, 패턴(300a)을 갖는 마스터 스탬프(300)가 완성된다.Referring to FIG. 11F, the substrate (310) is etched using the photoresist layer (330) and the hard mask layer (320) as etching masks. As described above, when the substrate (310) is etched using only the photoresist layer (330) as an etching mask, the photoresist layer (330) having a high etching selectivity can be etched away before the substrate (310) is etched to a desired depth. As in the embodiment, when the hard mask layer (320) is further provided between the substrate (310) and the photoresist layer (330), even when the photoresist layer (330) is not completely etched away, the hard mask layer (320) having a low etching selectivity can serve as an etching mask. Therefore, it becomes possible to etch the substrate (310) to a desired depth. Next, when the photoresist layer (330) and the hard mask layer (320) are removed, a master stamp (300) having a pattern (300a) is completed, as shown in FIG. 11g.

도 12a 및 도 12b는 도 11c에서 설명한 노광 공정의 세부 사항을 설명하는 도면들이다. Figures 12a and 12b are drawings explaining details of the exposure process described in Figure 11c.

도 11c에서 설명한 노광 장치(250)는 광원(251), 조리개(253), 하나 이상의 렌즈(255, 256, 257)를 포함할 수 있고, 또한, 레티클(200)과 웨이퍼(WA)를 움직이기 위한 구동 스테이지(미도시)를 포함할 수 있다. 렌즈(255)는 입사광을 평행하게 하는 콜리메이팅 렌즈이고, 렌즈(256, 257)은 빔 폭을 조절하는 릴레이 렌즈(259)이다. 렌즈 광학계의 형태는 예시적이며, 다른 형태로 변경될 수도 있다. The exposure device (250) described in FIG. 11c may include a light source (251), an aperture (253), one or more lenses (255, 256, 257), and may also include a driving stage (not shown) for moving the reticle (200) and the wafer (WA). The lens (255) is a collimating lens that parallels incident light, and the lenses (256, 257) are relay lenses (259) that adjust the beam width. The shape of the lens optical system is exemplary and may be changed to another shape.

광원(251)에서의 광은 조리개(253)에 의해 렌즈(255)의 주변부로는 향하지 않고 광축 근방의 중심부쪽으로만 진행하며, 이러한 광에 의해 웨이퍼(WA) 상의 소정 영역이 소정 패턴으로 노광된다. 이와 함께, 레티클(200)와 웨이퍼(WA)가 동시에 정밀하게 이동되어, 웨이퍼(WA) 전체가 노광될 수 있다. Light from a light source (251) is not directed to the periphery of the lens (255) by the aperture (253), but only to the center near the optical axis, and a predetermined area on the wafer (WA) is exposed in a predetermined pattern by this light. In addition, the reticle (200) and the wafer (WA) are precisely moved simultaneously, so that the entire wafer (WA) can be exposed.

도 12b에 도시된 바와 같이, 기판(310) 상에 형성된 포토리지스트층(330)의 영역은 화살표로 표시된 바와 같이, 스캔, 스텝되며, 노광될 수 있다. As illustrated in FIG. 12b, an area of a photoresist layer (330) formed on a substrate (310) can be scanned, stepped, and exposed, as indicated by arrows.

이러한 방식은 렌즈를 투과한 전체 광을 사용하는 일반적인 스텝퍼와 달리, 렌즈의 왜곡이 발생하지 않는 광만을 사용하여 웨이퍼(WA)를 노광하므로, 엣지(edge) 공정의 정확성이 향상될 수 있고, 대면적의 마스터 스탬프를 제작하기에 유리하다. This method exposes the wafer (WA) using only light that does not cause lens distortion, unlike a general stepper that uses all light transmitted through the lens, so the accuracy of the edge process can be improved and it is advantageous for producing a large-area master stamp.

도 13a 내지 도 13e는 마스터 스탬프를 복제하여 레플리카 몰드를 형성하고 이를 이용하여 메타 렌즈를 제조하는 예시적인 과정을 보이는 도면들이다. FIGS. 13a to 13e are drawings showing an exemplary process of forming a replica mold by replicating a master stamp and using the same to manufacture a metalens.

도 13a를 참조하면, 마스터 스탬프(300) 상에 형성된 패턴(300a)을 복제하여 레플리카 몰드(400)가 형성된다. 마스터 스탬프(300) 상에 양각, 음각으로 형성된 패턴(300a)은 제조하고자 하는 메타 렌즈를 이루는 나노구조물들의 형상과 배열에 상응하는 형태이다. 마스터 스탬프(300) 상에 몰드 물질이 압착되어, 마스터 스탬프(300)의 패턴(300a)이 복제된 레플리카 몰드(400)가 형성될 수 있다. 레플리카 몰드(400)는 제1층(420), 제2층(430)을 포함할 수 있다. 마스터 스탬프(300)의 패턴(300a)에 직접 접촉하는 제2층(430)은 제1층(420)에 비해 점성은 낮고 기계적 강성은 높은 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1층(420)은 PDMS(hard polydimethylsiloxane)로 이루어질 수 있고, 제2층(430)은 h-PDMS(hard polydimethylsiloxane)로 이루어질 수 있다. 다만, 이는 예시적이며, 레플리카 몰드(400)는 플렉서블한 재질로 단층으로 형성될 수도 있다. Referring to FIG. 13a, a replica mold (400) is formed by replicating a pattern (300a) formed on a master stamp (300). The pattern (300a) formed in a positive or negative manner on the master stamp (300) has a shape corresponding to the shape and arrangement of nanostructures forming a meta lens to be manufactured. A mold material may be pressed onto the master stamp (300) to form a replica mold (400) in which the pattern (300a) of the master stamp (300) is replicated. The replica mold (400) may include a first layer (420) and a second layer (430). The second layer (430) in direct contact with the pattern (300a) of the master stamp (300) may be made of a material having lower viscosity and higher mechanical strength than the first layer (420). For example, the first layer (420) may be made of hard polydimethylsiloxane (PDMS), and the second layer (430) may be made of hard polydimethylsiloxane (h-PDMS). However, this is exemplary, and the replica mold (400) may be formed as a single layer using a flexible material.

도 13b를 참조하면, 레플리카 몰드(400) 상에 자외선 경화성 레진(UV curable resin)(533)이 도포된다. 자외선 경화성 레진(533)은 경화되지 않은 액상의 형태로 레플리카 몰드(400)에 형성된 음각된 영역 내부를 채우게 된다. Referring to Fig. 13b, a UV curable resin (533) is applied on a replica mold (400). The UV curable resin (533) fills the inside of the engraved area formed in the replica mold (400) in an uncured liquid form.

도 13c를 참조하면, 도 13b와 같은 구조 상에 기판(510)이 배치된 후 압력(pressure)이 인가되며 자외선(UV)이 조사될 수 있다. 이러한 과정에서 자외선 경화성 레진(533)이 경화된다. 경화된 자외선 경화성 레진(533)은 도 13d에 도시한 바와 같이, 복수의 나노구조물(NS)을 구비하는 나노구조층(530)을 형성한다. 나노구조층(530)은 플랫층(532)을 더 포함하는 형상일 수도 있다. 플랫층(532)은 두께가 매우 얇거나, 거의 없을 수도 있다. Referring to FIG. 13c, after a substrate (510) is placed on a structure such as FIG. 13b, pressure may be applied and ultraviolet (UV) light may be irradiated. In this process, a UV-curable resin (533) is cured. The cured UV-curable resin (533) forms a nanostructure layer (530) having a plurality of nanostructures (NS), as illustrated in FIG. 13d. The nanostructure layer (530) may have a shape that further includes a flat layer (532). The flat layer (532) may have a very thin thickness or almost none.

도 13d를 참조하면, 레플리카 몰드(400)가 나노구조층(532)으로부터 분리된 다. 앞서 설명한 바와 같이, 나노구조층(532)의 재질로 사용된 자외선 경화성 레진은 표면 에너지가 낮고 shrinkage가 적은 재질로 선택될 수 있으며, 따라서, 이러한 분리 공정은 레플리카 몰드(400)나 나노구조물(NS)의 손상을 일으키지 않고 용이하게 수행될 수 있다. Referring to FIG. 13d, the replica mold (400) is separated from the nanostructure layer (532). As described above, the ultraviolet-curable resin used as the material of the nanostructure layer (532) can be selected as a material having low surface energy and low shrinkage, and therefore, this separation process can be easily performed without causing damage to the replica mold (400) or the nanostructure (NS).

도 13e를 참조하면, 나노구조물(NS)의 표면에 고굴절 원자층(535)이 형성되면, 웨이퍼 레벨의 메타 렌즈(500)가 완성된다. Referring to Fig. 13e, when a high-refractive atomic layer (535) is formed on the surface of a nanostructure (NS), a wafer-level meta-lens (500) is completed.

고굴절 원자층(535)은 나노구조물(NS)의 표면의 따라 컨포멀하게 증착될 수 있다. 고굴절 원자층(535)의 형성에는 다양한 증착 방법이 사용될 수 있고, 스퍼터링, 또는 ALD(atomic layer deposition) 방법이 사용될 수 있다. 고굴절 원자층(535)은 나노구조물(NS)의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지는 물질로 이루어질 수 있다. 고굴절 원자층(535)의 두께는 대략 20㎚-30㎚ 또는 20㎚-25㎚일 수 있으며, 다만, 이에 한정되지 않고, 입사광에 대한 편광 변환 효율을 고려하여 적절히 정해질 수 있다. The high-refractive-index atomic layer (535) can be conformally deposited along the surface of the nanostructure (NS). Various deposition methods can be used to form the high-refractive-index atomic layer (535), and sputtering or an ALD (atomic layer deposition) method can be used. The high-refractive-index atomic layer (535) can be made of a material having a refractive index higher than the refractive index of the nanostructure (NS). The thickness of the high-refractive-index atomic layer (535) can be approximately 20 nm to 30 nm or 20 nm to 25 nm, but is not limited thereto, and can be appropriately determined in consideration of polarization conversion efficiency for incident light.

웨이퍼 레벨의 메타 렌즈(500)는 기판(510)의 직경에 비례하는 매우 많은 개수의 메타 렌즈들을 포함할 수 있다. 기판(510)은 예를 들어, 직경이 대략 30㎝일 수 있다. A wafer-level meta-lens (500) may include a very large number of meta-lenses proportional to the diameter of the substrate (510). The substrate (510) may have a diameter of, for example, approximately 30 cm.

상술한 제조방법은 반복적으로 사용할 수 있고 대면적인 레플리카 몰드(400)를 활용하고 있어, 메타 렌즈의 대량 생산에 유리하다. 예를 들어, 일반적인 포토리소그라피 공정으로는 메타 렌즈에 구비되는 나노구조물의 세부 형상이 구현되는 수율이 낮으며, 또한, 전자 빔 리소그라피를 이용하여 메타 렌즈를 제조하는 것은 하나의 메타 렌즈를 제조하는 데에도 긴 시간이 소요되고, 비용도 높아, 대량 생산에 매우 불리하다. The above-described manufacturing method is advantageous for mass production of meta-lenses because it can be used repeatedly and utilizes a large-area replica mold (400). For example, the yield of implementing detailed shapes of nanostructures provided in a meta-lens is low using a general photolithography process, and furthermore, manufacturing a meta-lens using electron beam lithography takes a long time to manufacture even one meta-lens and is also expensive, which is very disadvantageous for mass production.

실시예에 따른 제조방법은 전자 빔 리소그라피를 이용하여 레티클(200)을 만들고, 레티클(200)을 사용한 스캔 및 스텝 방식의 노광 공정을 거쳐 대면적의 마스터 스탬프(300)를 제조한 후, 마스터 스탬프(300)에 형성된 패턴을 레플리카 몰드(400)에 복제하는 과정을 포함한다. 이 때, 레플리카 몰드(400)는 복수회 반복 사용 가능하며, 레플리카 몰드(400)가 재사용이 어려워진 경우 마스터 스탬프(300)를 사용하여 레플리카 몰드(400)를 다시 제작할 수 있다. The manufacturing method according to the embodiment includes a process of making a reticle (200) using electron beam lithography, manufacturing a large-area master stamp (300) through a scan and step exposure process using the reticle (200), and then replicating the pattern formed on the master stamp (300) onto a replica mold (400). At this time, the replica mold (400) can be reused multiple times, and if the replica mold (400) becomes difficult to reuse, the replica mold (400) can be manufactured again using the master stamp (300).

도 14는 실시예에 따른 메타 렌즈 제조방법에 따라 제조된, 메타 렌즈들이 형성되어 있는 웨이퍼에 대한 현미경 사진을 보인다. FIG. 14 shows a microscope photograph of a wafer having meta-lenses formed thereon, manufactured according to a method for manufacturing a meta-lens according to an embodiment.

현미경 사진에 나타나는 바와 같이, CD(critical dimension) 40㎚ 정도의 구조물들이 잘 제작된 것이 확인된다.As shown in the microscopic image, it is confirmed that structures with a critical dimension (CD) of approximately 40 nm are well-produced.

이러한 제조방법에 따라, 4인치 웨이퍼에서 68개, 6인치 웨이퍼에서 153개, 8인치 웨이퍼에서 272개, 12인치 웨이퍼에서 669개의 메타 렌즈가 대량 생산될 수 있음이 실험적으로 확인되었다. 또한, 4인치 웨이퍼에 형성된 68개의 메타 렌즈에 대한 결함 테스트를 진행한 결과, 65개에서 결함이 검출되지 않아, 즉, 대략 95%의 수율이 달성됨을 확인하였다. According to this manufacturing method, it was experimentally confirmed that 68 meta-lenses can be mass-produced on a 4-inch wafer, 153 on a 6-inch wafer, 272 on an 8-inch wafer, and 669 on a 12-inch wafer. In addition, as a result of a defect test on the 68 meta-lenses formed on a 4-inch wafer, it was confirmed that no defects were detected in 65 of them, i.e., a yield of approximately 95% was achieved.

도 15은 실시예에 따른 메타 렌즈 제조방법에 따라 제조된 메타 렌즈의 일부를 확대한 현미경 사진들을 보인다. FIG. 15 shows enlarged microscopic photographs of a portion of a meta-lens manufactured according to a method for manufacturing a meta-lens according to an embodiment.

예시된 SEM 이미지들에서, a와 d로 표시된 이미지는 5회 사용된 레플리카 몰드를 활용하여 얻어진 구조를 보이며, b와 e로 표시된 이미지, c와 f로 표시된 이미지는 각각 10회, 20회 사용된 레플리카 몰드를 활용하여 얻어진 구조이다. In the illustrated SEM images, images labeled a and d show structures obtained using replica molds that were used 5 times, images labeled b and e, and images labeled c and f show structures obtained using replica molds that were used 10 and 20 times, respectively.

이러한 실험 결과들은 본 실시예의 제조 방법에 따라 광 효율이 높은 메타 렌즈를 높은 수율로 대량 생산할 수 있음을 보이고 있다. 이러한 결과는 기존의 메타 렌즈 구조나 기존의 메타 렌즈 제조방법에서는 보고된 바 없는 결과이다.These experimental results demonstrate that a high-efficiency metalens can be mass-produced at a high yield using the manufacturing method of the present embodiment. This result is a result that has not been reported in existing metalens structures or existing metalens manufacturing methods.

예를 들어, 임프린트 공정으로 메타 렌즈를 제조하는 기존 방법에서는 대면적 공정에 사용될 수 있는 물질의 한계로 인해, 설계된 타겟 파장인 특정 파장을 제외하고는 50% 이하의 광효율을 나타내는 것이 보고된 바 있다. For example, it has been reported that the existing method of manufacturing a metalens using an imprint process exhibits an optical efficiency of less than 50% except for a specific wavelength, which is the designed target wavelength, due to limitations in the materials that can be used in the large-area process.

가시광 파장 대역에서의 메타 렌즈의 성능 향상을 위한 구조로, 높은 굴절률을 가진 나노 입자를 레진에 혼합하여 메타 렌즈를 제조하는 방법이 시도된 바 있으나, 이와 같이 제작된 메타 렌즈의 수율은 대략 50%정도에 불과하다. 이는 나노 입자를 혼합하기에 적합한 레진 물질을 선택하는 한계에 의한 것으로 볼 수 있다.In order to improve the performance of a metalens in the visible wavelength band, a method of manufacturing a metalens by mixing nanoparticles with a high refractive index into a resin has been attempted, but the yield of the metalens manufactured in this way is only about 50%. This can be seen as a limitation in selecting a resin material suitable for mixing nanoparticles.

실시예의 제조 방법에서는 나노 입자를 레진에 혼합하는 과정이 없으므로 사용할 수 있는 레진의 자유도가 높아졌으며, 예를 들어, 별도의 표면처리 없이 후 공정이 진행될 수 있는 low surface energy, low shirinkage 특성을 지닌 레진을 사용할 수 있다. Since the manufacturing method of the embodiment does not involve a process of mixing nanoparticles into the resin, the degree of freedom in the resin that can be used is increased, and for example, a resin with low surface energy and low shirinkage characteristics that allows a post-process to be performed without a separate surface treatment can be used.

도 16a 내지 도 17c는 실시예에 따른 메타 렌즈의 성능을 보이는 도면들이다.Figures 16a to 17c are drawings showing the performance of a metalens according to an embodiment.

도 16a, 도 16b 및 도 16c는 각각 파장 450㎚, 522㎚, 635㎚인 광에 대한 포커싱 성능을 보이는 광 세기 분포도이다. Figures 16a, 16b, and 16c are light intensity distributions showing focusing performance for light having wavelengths of 450 nm, 522 nm, and 635 nm, respectively.

도 17a, 도 17b, 도 17c는 각각 파장 450㎚, 522㎚, 635㎚인 광에 대한 포커싱 성능을 Strehl raio(SR)로 표현한 그래프이다.Figures 17a, 17b, and 17c are graphs expressing the focusing performance for light with wavelengths of 450 nm, 522 nm, and 635 nm, respectively, in terms of Strehl ratio (SR).

실시예의 제조방법에 따라 제조된 메타 렌즈가 가시광 파장 전대역의 광에 대해 양호한 포커싱 성능을 나타냄을 알 수 있다. It can be seen that the metalens manufactured according to the manufacturing method of the embodiment exhibits good focusing performance for light in the entire visible light wavelength band.

도 18은 실시예에 따른 메타 렌즈에 의한 MTF(modulation transfer function)를 보이는 그래프이다.Fig. 18 is a graph showing the MTF (modulation transfer function) by a metalens according to an embodiment.

측정된 MTF는 이상적인 경우(ideal metalens)의 MTF에 매우 근접한 형태임을 알 수 있다.It can be seen that the measured MTF is very close to the MTF of the ideal case (ideal metalens).

도 19는 실시예에 따른 메타 렌즈에 의한 해상도 성능을 보이는 도면들이다.Figure 19 is a drawing showing the resolution performance by a metalens according to an embodiment.

메타 렌즈의 해상도 테스트는 1951 USAF negative resolution 타겟을 이용하였고, 3㎛ 이하의 크기가 해상 가능함을 확인하였다.The resolution test of the meta-lens used the 1951 USAF negative resolution target, and it was confirmed that sizes less than 3㎛ could be resolved.

도 20은 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구조를 보인다.Fig. 20 shows a schematic structure of an electronic device according to an embodiment.

전자 장치(1000)는 디스플레이 소자(600)와 메타 렌즈(100)를 포함한다. 전자 장치(100)는 또한, 디스플레이 소자(600)를 제어하는 프로세서(640)를 더 포함할 수 있다. An electronic device (1000) includes a display element (600) and a metalens (100). The electronic device (100) may further include a processor (640) that controls the display element (600).

디스플레이 소자(600)는 영상광을 제공하며, 알려진 다양한 디스플레이 소자를 포함할 수 있고, 예를 들어, LCoS(liquid crystal on silicon) 소자, LCD(liquid crystal display) 소자, OLED(organic light emitting diode) 디스플레이 소자, DMD(digital micromirror device)를 포함할 수 있고, 또한, Micro LED, QD(quantum dot) LED 등의 차세대 디스플레이 소자를 포함할 수 있다.The display element (600) provides image light and may include various known display elements, for example, an LCoS (liquid crystal on silicon) element, an LCD (liquid crystal display) element, an OLED (organic light emitting diode) display element, a DMD (digital micromirror device), and further, may include next-generation display elements such as a Micro LED and a QD (quantum dot) LED.

디스플레이 소자(600)에서 제공되는 영상광은 2차원 영상 또는 3차원 영상일 수 있다. 3차원 영상은 예를 들어, 스테레오(stereo) 영상, 홀로그램(hologram) 영상, 라이트 필드(light field) 영상, 또는 IP(integral photography) 영상일 수 있고 또한, 멀티 뷰(multi-view) 혹은 슈퍼 멀티뷰(super multi-view) 방식의 영상을 포함할 수 있다.The image light provided from the display device (600) may be a two-dimensional image or a three-dimensional image. The three-dimensional image may be, for example, a stereo image, a hologram image, a light field image, or an IP (integral photography) image, and may also include an image in a multi-view or super multi-view manner.

메타 렌즈(100)는 디스플레이 소자(600)에서 제공된 영상광을 사용자의 시야에 결상할 수 있다. 사용자는 디스플레이 소자(600)에서 제공된 영상을 소정 위치의 가상면(virtual image plane)(VP)에 띄워진(floated) 확대된 영상(600a)으로 인지할 수 있다. 가상면(VP)의 위치나 영상이 확대되는 배율은 메타 렌즈(100)의 초점 거리, 사용자의 눈과 메타 렌즈(100) 간의 거리(de), 메타 렌즈(100)와 디스플레이 소자(600) 간의 거리 등에 의해 정해진다. 시야각(FOV)은 사용자의 눈과 메타 렌즈(100) 간의 거리(de) 및 메타 렌즈(100)의 유효경(al)에 의해 정해질 수 있다. The meta-lens (100) can focus image light provided from the display element (600) on the user's field of vision. The user can perceive the image provided from the display element (600) as an enlarged image (600a) floated on a virtual image plane (VP) at a predetermined location. The location of the virtual plane (VP) or the magnification of the image is determined by the focal length of the meta-lens (100), the distance (d e ) between the user's eye and the meta-lens (100), the distance between the meta-lens (100) and the display element (600), etc. The field of view (FOV) can be determined by the distance (d e ) between the user's eye and the meta-lens (100) and the effective diameter ( al ) of the meta-lens (100).

전자 장치(100)는 가상 현실(virtual reality) 장치로 활용될 수 있으며, eye-wearable 한 형태로 구현될 수 있다. The electronic device (100) can be utilized as a virtual reality device and can be implemented in an eye-wearable form.

도 21은 실시예에 따른 메타 렌즈가 가상 현실 장치에 적용될 수 있음을 실험적으로 보이는 사진들이다.Figure 21 is a photograph showing experimentally that a meta-lens according to an embodiment can be applied to a virtual reality device.

도 21에 예시된 사진들은 마이크로 디스플레이를 통해 띄워진 화면을 메타 렌즈를 통해 결상한 후, 이를 휴대폰으로 촬영한 것이다. The photographs shown in Fig. 21 were taken with a mobile phone after focusing the screen displayed on the micro display through a meta lens.

도 22는 다른 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구조를 보인다.Fig. 22 shows a schematic structure of an electronic device according to another embodiment.

전자 장치(2000)는 영상광(IL)을 제공하는 디스플레이 소자(600), 영상광(IL)을 사용자의 시야에 결상하는 메타 렌즈(100)를 포함한다. 전자 장치(2000)는 또한, 영상광(IL)이 사용자의 시야를 향하는 경로에 배치된 빔 스플리터(700) 및 디스플레이 소자(600)를 제어하는 프로세서(650)를 더 포함할 수 있다.The electronic device (2000) includes a display element (600) that provides image light (IL) and a metalens (100) that focuses the image light (IL) on a user's field of view. The electronic device (2000) may further include a beam splitter (700) arranged in a path through which the image light (IL) faces the user's field of view and a processor (650) that controls the display element (600).

빔 스플리터(700)는 영상광(IL)의 경로를 사용자의 시야를 향하는 방향으로 바꿀 수 있다. 빔 스플리터(700)는 또한, 사용자 주변 환경(ENV)에서 오는 주변광(EL)을 사용자의 시야쪽으로 투과시킬 수 있다. 빔 스플리터(700)는 하프 미러(half mirro)일 수 있고, 또는 편광 빔 스플리터일 수 있다. 빔 스플리터(700)의 종류에 따라, 추가적인 광학 요소가 영상광(IL)의 경로나, 주변광(EL)의 경로에 더 마련될 수도 있다.The beam splitter (700) can change the path of the image light (IL) toward the user's field of view. The beam splitter (700) can also transmit the ambient light (EL) from the user's surrounding environment (ENV) toward the user's field of view. The beam splitter (700) can be a half mirror or a polarizing beam splitter. Depending on the type of the beam splitter (700), additional optical elements may be provided in the path of the image light (IL) or the path of the ambient light (EL).

프로세서(650)는 예를 들어, 사용자가 주시하는 환경에 알맞은 부가영상을 출력하도록 디스플레이 소자(600)를 제어할 수 있다.The processor (650) can control the display element (600) to output additional images suitable for the environment viewed by the user, for example.

사용자는 디스플레이 소자(600)에서 제공되는 영상광(IL)을 사용자 전방의 소정 거리에 위치한 가상면(VP)에 띄워진 확대된 영상으로 인지하게 되고, 또한, 주변광(IL)도 함께 인지할 수 있다. The user perceives the image light (IL) provided from the display element (600) as an enlarged image projected on a virtual plane (VP) located at a predetermined distance in front of the user, and can also perceive the ambient light (IL).

이러한 전자 장치(2000)는 증강 현실(Augmented reality) 장치로 활용될 수 있다.These electronic devices (2000) can be utilized as augmented reality devices.

도 23은 또 다른 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구조를 보인다.Fig. 23 shows a schematic structure of an electronic device according to another embodiment.

전자 장치(3000)는 메타 렌즈(100)를 포함하는 렌즈 어셈블리(800)와, 렌즈 어셈블리(800)에 의해 형성된 피사체(OBJ)의 광학 상(optical image)를 전기적 신호로 바꾸는 이미지 센서(900)와, 이미지 센서(900)에서의 신호를 처리하는 프로세서(image signal processor, ISP)(900)를 포함한다. An electronic device (3000) includes a lens assembly (800) including a meta lens (100), an image sensor (900) that converts an optical image of an object (OBJ) formed by the lens assembly (800) into an electrical signal, and a processor (image signal processor, ISP) (900) that processes a signal from the image sensor (900).

렌즈 어셈블리(800)는 메타 렌즈(100)외에 추가적인 렌즈부(850)를 더 포함할 수 있다. 렌즈부(850)는 하나 이상의 렌즈를 포함할 수 있으며, 하나 이상의 렌즈는 일반적인 굴절 렌즈이거나, 또는 메타 렌즈일 수도 있다. The lens assembly (800) may further include an additional lens unit (850) in addition to the meta lens (100). The lens unit (850) may include one or more lenses, and one or more of the lenses may be general refractive lenses or meta lenses.

메타 렌즈(100)의 위치는 도시된 위치로 한정되는 것은 아니며, 렌즈 어셈블리(800) 내의 임의의 적절한 위치, 또는 렌즈부(850) 내의 임의의 적절한 위치로 변경될 수도 있다. The position of the meta lens (100) is not limited to the illustrated position, and may be changed to any appropriate position within the lens assembly (800) or any appropriate position within the lens unit (850).

상술한 메타 렌즈, 메타 렌즈의 제조 방법, 및 메타 렌즈를 포함하는 전자장치는 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.Although the above-described meta-lens, the method for manufacturing the meta-lens, and the electronic device including the meta-lens have been described with reference to the embodiments illustrated in the drawings, these are merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible from this. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present disclosure is indicated by the claims rather than the foregoing description, and all differences within a scope equivalent thereto should be construed as being included.

100, 500: 메타 렌즈
135: 고굴절 원자층
110, 510: 기판
NS: 나노구조물
200: 레티클
300: 마스터 스탬프
400: 레플리카 몰드
1000, 2000, 3000: 전자 장치
100, 500: Meta Lens
135: High-index atomic layer
110, 510: Substrate
NS: Nanostructures
200: Reticle
300: Master Stamp
400: Replica Mold
1000, 2000, 3000: Electronic Devices

Claims (18)

기판;
상기 기판 상에 마련된 복수의 나노구조물; 및
상기 복수의 나노구조물의 표면을 따라 형성되며, 상기 복수의 나노구조물보다 높은 굴절률의 물질을 포함하는 고굴절 원자층;을 포함하는, 메타 렌즈.
substrate;
A plurality of nanostructures provided on the substrate; and
A metalens comprising a high-refractive atomic layer formed along the surface of the plurality of nanostructures and including a material having a higher refractive index than the plurality of nanostructures.
제1항에 있어서,
상기 고굴절 원자층은 TiO2를 포함하는, 메타 렌즈.
In the first paragraph,
A metalens, wherein the high refractive atomic layer comprises TiO 2 .
제1항에 있어서,
상기 고굴절 원자층의 두께는 20㎚ 이상 30㎚ 이하인, 메타 렌즈.
In the first paragraph,
A meta-lens, wherein the thickness of the high-refractive-index atomic layer is 20 nm or more and 30 nm or less.
제1항에 있어서,
상기 고굴절 원자층의 두께는
상기 고굴절 원자층이 코팅된 상기 나노구조물에 의한 녹색광의 편광 변환 효율이 70% 이상이 되도록 정해지는, 메타 렌즈.
In the first paragraph,
The thickness of the above high refractive atomic layer is
A meta-lens, wherein the polarization conversion efficiency of green light by the nanostructure coated with the high refractive atomic layer is determined to be 70% or more.
제1항에 있어서,
상기 고굴절 원자층은 ZrO2를 포함하는, 메타 렌즈.
In the first paragraph,
A metalens, wherein the high-refractive atomic layer comprises ZrO 2 .
제1항에 있어서,
상기 복수의 나노구조물은 자외선 경화성 레진을 포함하는, 메타 렌즈.
In the first paragraph,
The above plurality of nanostructures are metalens comprising an ultraviolet-curable resin.
제1항에 있어서,
상기 기판과 상기 복수의 나노구조물 사이에 형성되고, 상기 복수의 나노구조물과 같은 물질을 포함하는 플랫층;을 더 포함하는, 메타 렌즈.
In the first paragraph,
A metalens further comprising a flat layer formed between the substrate and the plurality of nanostructures and including the same material as the plurality of nanostructures.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 메타 렌즈를 포함하는 렌즈 어셈블리;
상기 렌즈 어셈블리에 의해 형성된 피사체의 광학 상을 전기적 신호로 바꾸는 이미지 센서; 및
상기 이미지 센서에서의 신호를 처리하는 프로세서;를 포함하는, 전자 장치.
A lens assembly comprising a metalens according to any one of claims 1 to 7;
An image sensor that converts an optical image of a subject formed by the lens assembly into an electrical signal; and
An electronic device, comprising a processor for processing a signal from the image sensor.
영상광을 제공하는 디스플레이 소자;
상기 디스플레이 소자에서 제공된 광을 사용자의 시야에 포커싱하는, 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 메타 렌즈; 및
상기 디스플레이 소자를 제어하는 프로세서;를 포함하는, 전자 장치.
A display element that provides video light;
A metalens according to any one of claims 1 to 7, which focuses light provided from the display element into the user's field of view; and
An electronic device comprising a processor controlling the display element.
제9항에 있어서,
상기 영상광이 사용자의 시야를 향하는 경로에 배치된 빔 스플리터;를 더 포함하고,
상기 프로세서는 사용자가 주시하는 환경에 알맞는 부가 영상을 출력하도록 상기 디스플레이 소자를 제어하는, 전자 장치.
In Article 9,
further comprising a beam splitter arranged in a path through which the above image light is directed toward the user's field of view;
An electronic device in which the processor controls the display element to output additional images suitable for the environment viewed by the user.
메타 렌즈의 제조방법에 있어서,
상기 메타 렌즈에 구비될 복수의 나노구조물 배열과 동일한 제1패턴이 형성된 마스터 스탬프를 제조하는 단계;
상기 마스터 스탬프를 복제하여 레플리카 몰드를 제조하는 단계;
레플리카 몰드를 제1물질에 임프린트 하여 상기 복수의 나노구조물을 포함하는 나노구조층을 형성하는 단계; 및
상기 복수의 나노구조물의 표면에 컨포멀하게 고굴절 원자층을 형성하는 단계;를 포함하는, 메타 렌즈 제조방법.
In the manufacturing method of a metalens,
A step of manufacturing a master stamp having a first pattern formed identical to a plurality of nanostructure arrays to be provided on the above meta lens;
A step of manufacturing a replica mold by duplicating the above master stamp;
A step of forming a nanostructure layer including a plurality of nanostructures by imprinting a replica mold on a first material; and
A method for manufacturing a metalens, comprising: a step of conformally forming a high refractive atomic layer on the surface of the plurality of nanostructures.
제11항에 있어서,
상기 마스터 스탬프 제조에 사용될 레티클을 준비하는 단계;를 더 포함하는, 메타 렌즈 제조방법.
In Article 11,
A method for manufacturing a metalens, further comprising: a step of preparing a reticle to be used in manufacturing the master stamp.
제11항에 있어서,
상기 마스터 스탬프를 제조하는 단계는
기판 상에 하드 마스크층을 형성하는 단계;
상기 하드 마스크층 상에 포토리지스트층을 형성하는 단계;
상기 포토리지스트층을 상기 제1패턴을 갖도록 패터닝 하는 단계;
상기 제1패턴으로 패턴된 포토리지스트층을 식각 마스크로 하여 상기 하드 마스크층을 식각하는 단계;
상기 패턴된 포토리지스트층과 식각된 하드 마스크층을 식각 마스크로 하여, 상기 기판을 식각하는 단계;를 포함하는, 메타 렌즈 제조방법.
In Article 11,
The steps for manufacturing the above master stamp are:
A step of forming a hard mask layer on a substrate;
A step of forming a photoresist layer on the hard mask layer;
A step of patterning the photoresist layer to have the first pattern;
A step of etching the hard mask layer using the photoresist layer patterned with the first pattern as an etching mask;
A method for manufacturing a metalens, comprising: a step of etching the substrate using the patterned photoresist layer and the etched hard mask layer as an etching mask.
제13항에 있어서,
상기 패터닝 하는 단계에서
렌즈 광학계의 광축 근방으로 입사하는 일부 광만을 사용한 스캔 및 스텝 방식의 노광 공정을 사용하는, 메타 렌즈 제조방법.
In Article 13,
In the above patterning step
A method for manufacturing a metalens using a scanning and step exposure process that uses only a portion of light incident near the optical axis of the lens optical system.
제13항에 있어서,
상기 기판은 4 inch 이상의 직경을 가지는 실리콘 기판인, 메타 렌즈 제조 방법.
In Article 13,
A method for manufacturing a metalens, wherein the substrate is a silicon substrate having a diameter of 4 inches or more.
제13항에 있어서,
상기 하드 마스크층은 amorphous carbon layer를 포함하는, 메타 렌즈 제조 방법.
In Article 13,
A method for manufacturing a metalens, wherein the hard mask layer includes an amorphous carbon layer.
제11항에 있어서,
상기 고굴절 원자층은 TiO2를 포함하는, 메타 렌즈 제조 방법.
In Article 11,
A method for manufacturing a metalens, wherein the high refractive atomic layer comprises TiO 2 .
제11항에 있어서,
상기 고굴절 원자층의 두께는 20㎚ 이상 30㎚ 이하인, 메타 렌즈 제조 방법.
In Article 11,
A method for manufacturing a metalens, wherein the thickness of the high refractive atomic layer is 20 nm or more and 30 nm or less.
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