KR100531074B1 - 스탬퍼 및 그에 의해 제조된 광학소자 - Google Patents

스탬퍼 및 그에 의해 제조된 광학소자 Download PDF

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샤프 가부시키가이샤
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Abstract

포토-폴리머법에 의해 형성된 광학 소자의 미세패턴은 그루브(100), 스탬퍼(18)의 표면에 대해 경사진 측벽(100a)을 갖는다. 상기 측벽(100a)의 경사각 θ는, h: 상기 그루브의 깊이; 및 w1: 측벽(100a)에 의해 형성된 철부의 정상의 폭일 때, 다음 관계식: Tan-1(4 ×h ×w1 -0.2) < θ< 80°을 만족한다. 광학 소자에 형성된 돌기들(burrs)이 감소하기 때문에, 광학 소자의 대량생산이 증진된다.

Description

스탬퍼 및 그에 의해 제조된 광학소자{STAMPER, MANUFACTURING METHOD THEREFOR AND OPTICAL DEVICE MANUFACTURED THEREWITH}
본 발명은, 예컨대 CD(Compact Disc), CD-ROM(Compact Disc Read Only Memory), MD(mini disc), LD(Laser Disc) 등의 광디스크용 픽업부품에 이용되는 광학소자의 제조에 사용되는 스탬퍼(stamper)에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 스탬퍼의 제조방법 및 그에 의해 제조되는 광학소자에 관한 것이다.
일반적으로, 광디스크용 픽업부품으로서 사용되는 홀로그램소자는, 통상 수 평방 밀리미터의 크기를 갖는다. 대량의 홀로그램소자를 염가로 제조하기 위해, 대형의 광투과성 기판상에 일괄적으로 복수개의 홀로그램소자를 형성하고, 각각의 홀로그램소자로 분단한다. 홀로그램소자에는, 매우 미세한 회절격자가 정밀하게 형성되어 있다. 이 회절격자를 형성하는 방법으로서는, 예컨대 도9a 내지 도9f에 도시된 바와 같은 반도체장치의 제조방법, 도10a 내지 도10c 및 도11a 내지 도11d에 도시된 바와 같은 포토폴리머법(Photo-Polymer method)(이하, 2P 법이라고 함)이라는 성형방법 등의 여러 가지 방법이 채용되고 있다.
이하, 반도체장치의 제조방법을 이용하는 홀로그램소자의 제조방법을, 도9a 내지 도9f를 참조하여 설명한다.
우선, 도9a 및 도9b에 도시된 바와 같이, 유리기판(51)의 일면에 감광성재료(52)를 스핀코팅법 등에 의해 도포한다.
다음, 도9c에 도시된 바와 같이, 감광성재료(52)에 소정의 패턴을 포토리소그라피에 의해 형성한다.
그 후, 도9d에 도시된 바와 같이, CF4, CHF3 등의 가스분위기 속에서, 반응성 이온에칭(이하, "RIE"라고 함)법에 의해 유리기판(51)에 미세패턴(51a)을 형성한다. 이 때, 상기 유리기판(51)과 함께 감광성재료(52)도 가공된다. 따라서, 상기 유리기판(51)의 에칭 속도와 감광성재료(52)의 에칭 속도의 관계를 미리 파악하여, 유리기판(51)에 소정의 깊이의 패턴(51a)이 형성된 후에도, 감광성재료(52)가 유리기판(51)상에 잔류하도록 감광성재료(52)의 도포두께를 설정한다.
또한, 상기 유리기판상(51)에 잔류한 감광성재료(52)를, 도9e에 도시된 바와 같이, 용제(solvent)를 사용하여 제거하거나, 산소가스 분위기하에서 애싱(ashing)하여 제거한다.
이에 의해, 상기 유리기판(51)상에 형성된 복수개의 홀로그램소자는, 도9f에 도시된 바와 같이, 최종적으로 요구되는 형상 H1로 분할되어, 중간제품으로서 완성된다.
그러나, 도9a 내지 도9f에 도시된 제조방법은, RIE 공정에 장시간이 요구되어, 제조효율이 향상되지 않는다. 또한, 유리기판(51)의 양면에 동시에 회절격자를 형성할 수 없다. 그 때문에, 양면에 효율적으로 회절격자를 형성할 수 있는 염가로 제조방법 중 하나로서, 도10a 내지 도10c 및 도11a 내지 도11d에 도시된 2P 법이 제안되고 있다.
도10a 내지 도10c에 도시된 홀로그램소자를 제조하기 위한 2P 법에서는, 도10a에 도시된 바와 같이, 미세패턴(61a)이 미리 형성되어 있는 원반(原盤)(61)에 자외선경화형 액상수지(62)를 우선 도포한다. 그 후, 이 자외선경화형 액상수지(62)를 통해 원반(61)상에 광투과성기판(63)을 배치한다.
다음, 도10b에 도시된 바와 같이, 자외선경화형수지(62)를 광투과성기판(63)과 원반(61) 사이에 형성된 공간에, 필요하다면 가압하면서, 충분히 눌러 확대시킨다.
또한, 자외선을 조사하여 수지를 경화시킨 후, 도10c에 도시된 바와 같이, 광투과성기판(63)과 원반(61)을 분리시킨다. 상기 자외선경화형 액상수지(62)로서, 경화후의 광투과성기판(63)과의 접착성이 원반(61)과의 접착성보다 뛰어난 재료를 선택하거나, 또는 광투과성기판(63)과의 접착성을 전처리에 의해 미리 향상시켜 놓는다. 이에 의해, 광투과성기판(63)에 수지층(162)이 형성되어, 상기 수지층(162)이 원반(61)의 미세패턴(61a)으로부터 전사된 패턴(162a)을 갖는다.
도11a에 도시된 바와 같이, 상기 광투과성기판(63)의 양면에 전사패턴을 동시에 형성하기 위해서는, 우선, 그 양면에 프리머층(74,74')을 갖는 투명기판(73)을, 자외선경화형수지(72,72')를 통해 상하의 원반(71,71') 사이에 배치한다.
다음, 도11b에 도시된 바와 같이, 상기 수지(72,72')를 상기 상하의 원반(71,71')에 의해 가압한 후, 자외선 UV를 조사하여 경화시킨다. 그 후, 상기 기판(73)으로부터 원반(71,71')을 분리한다.
다음, 도11c에 도시된 바와 같이, 반사방지막(75,75')을, 기판(73) 양면의 원반(71)의 미세패턴(71a,71'a)으로부터 전사된 패턴(172a,172'a)을 갖는 수지(72,72')에 증착시킨다.
마지막으로, 도11d에 도시된 바와 같이, 상기 기판을 필요한 형상 H2로 분할한다.
이 제조방법에서는, 모두 광투과성을 갖는 기판(73) 및 이 기판을 사이에 둔 원반(71,71')을 사용함으로써, 기판(73)의 양면에 미세패턴을 동시에 형성할 수 있다. 이에 의해, 하나의 홀로그램소자의 일면에 트래킹빔(tracking beam) 생성기능을 부여하고, 타면에 광분기/오차신호 생성기능을 부여함으로써, 고집적화가 실현될 수 있고, 제조효율도 향상될 수 있다.
상기 2P 법에 의한 홀로그램소자의 제조수율의 향상 및 제조비용의 절감을 위해서는, 양호한 미세패턴(61a)을 갖는 원반을 제작하는 것이 필수적이다. 이 원반(이하, "스탬퍼"라고 함)은, 도12 및 도13에 도시된 순서로 형성된다. 단, 도12의 S-a, S-b, S-e, S-g 및 S-h는 도13a, 도13b, 도13e, 도13g 및 도13h에 각각 대응되어 상기 제조방법과 동일한 공정을 나타낸다.
공정 S-a에서는, 석영기판(81)을 세정한다. 그 후, 공정 S-b에서, 석영기판(81)의 표면에 레지스트(86)를 도포한다. 공정 S-c에서, 석영기판(81)을 프리베이크(prebake)하여 레지스트막 내의 용제를 제거한다. 공정 S-d에서, 미세패턴을 갖는 마스크를 석영기판(81)에 얼라인먼트하여 밀착시킨 후 노광한다. 이어서, 공정 S-e에서, 감광된 레지스트 부분을 현상에 의해 제거하여 패턴(87)을 형성한다. 공정 S-f에서, 기판을 포스트베이크(postbake)한다. 공정 S-g에서, 드라이 에칭의 일종인 RIE가 패턴(87)을 마스크로서 사용하여 소정의 깊이로 행해진다. 공정 S-h에서, 레지스트 패턴을 산소가스에 의해 애싱하거나 또는 리무버를 사용하여 제거한다. 공정 S-i에서, 마무리 세정을 행한다.
그러나, 상기 스탬퍼를 사용한 2P 법에 의해 홀로그램소자를 제작할 때, 성형 돌기라고 불리는 결함이 생성된다는 것이 알려졌다. 특히, 도14c에 도시된 바와 같이, 상기 성형 돌기는, 도14a에 도시된 스탬퍼(91)의 구형 그루브에 도14b에 도시된 바와 같이 자외선경화형수지(92)를 주입하고 상기 수지(92)를 경화한 후, 자외선경화형수지(92)가 이형(離型)될 때, 파손된 조각들(97)의 불량품으로서 생성된다. 상기 파손된 조각(97)은, 통상 밀착성 때문에 스탬퍼측에는 남지 않고, 대부분이 성형품(92)측에 부착된다. 따라서, 상기 홀로그램소자의 제조에 있어서, 불량발생률이 증가하여, 양산성이 저하된다고 하는 문제가 발생한다.
이러한 성형 돌기의 방지대책의 예로서, 일본 공개특허공보 제2000-231011호가 있다. 상기 공보에는, 상기 스탬퍼 표면에 대한 경사각 θ가 다음 관계식 (10)을 만족하도록, 미세패턴을 갖는 스탬퍼 그루브의 측벽이 스탬퍼 표면에 대해 경사진 것에 대해 개시되어 있다. 아래 식에서 미세패턴의 그루브의 깊이는 h, 상기 그루브의 저부의 폭은 w이다.
Tan-1(2 h/w) < θ < 80°(10)
또한, 상기 경사 이외에도, 일본 공개특허공보 제2000-231011호에는 그루브의 저부 코너가 둥근 것, 에지 부분이 둥근 것, 및 에지 부분의 모서리가 깎여져 있는 것이 개시되어 있다.
상기 형상들이 성형 돌기의 발생을 감소시킬 수 있는 것은 분명하다. 그러나, 자외선경화형수지의 표면에 전사되는 미세패턴을 갖는 그루브의 측벽이 지나치게 경사진 경우, 회절 효율 등의 광학특성에 악영향을 미치게 되는 것을 알 수 있다. 따라서, 상기 그루브의 측벽의 경사각을 제조시에 엄격하게 관리해야 한다.
상기 미세패턴의 그루브의 측벽이 지나치게 경사지면, 1차 회절 효율이 통상보다 2% 이상 저하된다.
또한, 통상의 홀로그램패턴은 2개 이상의 영역으로 분할되고, 각 영역은 상이한 피치를 가진다. 각 영역에서의 1차 회절 효율이 거의 동일하고, 구체적으로, 상기 영역들 사이의 1차 회절 효율의 비(이하, "효율비"라고 함)가 0.9-1.1인 것이 통상의 홀로그램소자에 대한 요구사항이다.
그러나, 그루브의 측벽이 지나치게 경사지면, 상기 효율비가 크게 악화된다고 하는 문제가 발생하기 때문에, 상기 영역들 사이의 1차 회절 효율을 거의 동일하게 할 수 없다.
상기한 바와 같은 형상을 실현하기 위해서, 일본 공개특허공보 제2000-231011호에는 다음 방법 (I)∼(V)가 개시되어 있다.
(I) 에칭속도를 감소시켜 반응성 이온에칭을 장시간동안 행한다.
(II) 스탬퍼 부재로서 그루브 측벽에 경사를 생성하기 쉬운 청색 판유리를 사용한다.
(III) 스탬퍼의 제조공정의 현상공정과 반응성이온 에칭공정 사이에 웨트에칭공정을 행한다.
(IV) 스탬퍼의 제조공정의 반응성이온 에칭공정과 레지스트 제거공정 사이에 웨트에칭공정을 행한다.
(V) 스탬퍼의 제조공정의 레지스트 제거공정 후에 웨트에칭공정을 행한다.
그러나, 상기 (I)∼(V)의 방법에는 대량생산에 있어서 이하의 문제점이 있는 것으로 판명되었다.
(I)에서는, 통상의 경우에 비해 에칭속도를 감소시키기 위해서 입사 전력을 절반 이하로 한다. 그러나, 이와 같이 입사전력이 낮으면 에칭상태가 불안정하게 되기 쉽다. 그 결과, 에칭 챔버내에서 균일한 에칭을 행할 수 없는 경우, 및 에칭의 각 로트(lot)마다 에칭 상태가 변화하는 경우가 있을 수 있다. 따라서, 일정 품질의 스탬퍼를 제조할 수 없다고 하는 문제가 발생하기 쉽다.
(II)에서는, 스탬퍼의 부재로서 그루브 측벽에 경사를 생성하기 쉬운 청색 판유리를 사용한다. 그러나, 이 부재는 자외선을 투과시키지 않는다. 따라서, 청색 판유리를 사용한 스탬퍼는 기판의 일면에 패턴을 형성하는 경우에만 적용될 수 있다. 그 결과, 상기 기판의 양면에 패턴을 형성할 수 없기 때문에, 홀로그램소자의 대량생산성이 저하된다.
(III)∼(V)의 각 제조방법은 종래의 스탬퍼 공정에 웨트에칭공정을 추가한 것이다. 그러나, 웨트에칭에서는, 스탬퍼 전체를 균일하게 에칭하기가 어렵다. 또한, 에칭액의 농도, 온도, 반응물, pH 등의 관리를 하면서 스탬퍼의 웨트에칭을 행하기가 어렵다. 따라서, 각 스탬퍼의 에칭상태가 균일하지 않다고 하는 문제가 발생한다.
따라서, 본 발명의 목적은, 2P 법에 의해 형성되는 미세패턴에 있어서의 도랑의 측벽의 구배의 정밀도를 높일 수 있고, 광학소자의 양산성을 향상시킬 수 있는 스탬퍼를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 일정품질을 얻을 수 있는 스탬퍼의 제조방법을 제공하는 동시에, 그 스탬퍼로 형성된 광학소자를 제공하는 것이다. 또한, 저비용으로 양산성에 우수한 스탬퍼의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 미세패턴을 표면에 갖고, 상기 미세패턴의 그루브의 측벽이 상기 표면에 대하여 경사지며,
상기 표면에 대한 측벽의 경사각 θ는,
h: 상기 그루브의 깊이; 및
w1: 상기 그루브의 측벽과 인접한 측벽에 의해 형성된 철부의 정상의 폭일 때, 이하의 관계식:
Tan-1(4 ×h ×w1 -0.2) < θ< 80°
를 만족시키는 스탬퍼를 제공한다.
상기 구성의 스탬퍼를 사용하여 예컨대 광학소자를 2P법으로 제조한 경우, 상기 경사각 θ가 상기 관계식을 만족시킴으로써, 그루브의 측벽의 구배의 정밀도를 높일 수 있다. 그 결과, 상기 광학소자의 광학특성에 악영향을 주지 않고, 광학소자의 1차 회절 효율 및 효율비가 저하하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 경사각 θ가 상기 관계식을 만족시키고 있기 때문에, 광학소자에 발생하는 성형 돌기의 발생빈도가 감소한다. 그 결과, 상기 광학소자의 양산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은, 미세패턴을 표면에 갖고, 상기 미세패턴의 그루브의 측벽이 상기 표면에 대하여 경사지며,
상기 그루브의 측벽 및 인접하는 측벽에 의해 형성되는 철부의 저부의 폭 w2는, 이하의 관계식:
0.3 ×h < (w2 - w1) < h + 0.05
h: 상기 그루브의 깊이; 및
w1: 상기 철부의 정상의 폭
을 만족시키는 스탬퍼를 제공한다.
상기 발명은 전에 개시된 발명과 정확히 동일한 동작 효과를 얻도록 기대될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 상기 미세패턴이 반응성이온에칭에 의해 형성된다.
상기 실시예에 의하면, 상기 미세패턴을 반응성 이온에칭으로 형성하기 때문에, 스탬퍼의 품질이 안정하다. 따라서, 일정품질의 스탬퍼를 얻을 수 있다.
또한, 상기 반응성이온에칭에 의해 미세패턴이 형성되기 때문에, 저비용으로 양산성에 우수한 미세패턴이 형성된다.
본 발명의 일 실시예에서는, 상기 미세패턴을, 제1 에칭 및 상기 제1 에칭의 선택비보다 낮은 선택비를 갖는 제2 에칭에 의해 형성한다. 여기서, 상기 선택비는 레지스트의 에칭속도에 대한 스탬퍼 부재의 에칭속도의 비이다.
상기 실시예에 의하면, 제1 에칭에 대한 시간을 조정함으로써 소정의 경사각을 갖는 그루부 형상을 용이하게 제작할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 상기 제1 에칭은, CF4 또는 CHF3의 반응성이온가스와 산소가스를 혼합하여 실시되며, 상기 제2 에칭은, 단일의 CF4 또는 CHF3의 반응성이온가스로 실시된다.
상기 실시예에 의하면, 제1 에칭의 시간을 조정함으로써, 소정의 경사각을 갖는 그루브 형상을 용이하게 제작할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 미세패턴을, 산소를 사용하여 레지스트에 대해 행하는 제1 에칭과, CF4 또는 CHF3의 반응성이온가스에 의한 제2 에칭에 의해 형성한다.
상기 실시예에 의하면, 제1 에칭의 시간을 조정함으로써, 소정의 경사각을 갖는 그루브 형상을 용이하게 제작할 수 있다.
본 발명은, 투명기판 및 상기 투명기판의 양면에 프리머층을 통해 제공된 자외선경화형수지층을 구비하며;
상기 자외선경화형수지층의 표면에 미세패턴이 형성되고, 상기 미세패턴의 그루브의 측벽이 상기 표면에 대하여 경사지고,
상기 표면에 대하여 경사진 측벽의 경사각 θ'는,
h': 상기 그루브의 깊이; 및
w1': 상기 그루브의 저부폭일 때, 이하의 관계식,
Tan-1(4 ×h' ×w1'-0.2) < θ' < 80°
를 만족시키는 광학소자를 제공한다.
상기 구성의 광학소자에 의하면, 상기 경사각 θ'가 상기 관계식을 만족시키기 때문에, 광학특성이 양호하고, 1차 회절 효율 및 효율비가 저하하지 않는다.
또한, 본 발명은, 투명기판 및 이 투명기판의 양면에 프리머층을 통해 제공된 자외선경화형수지층을 구비하고;
상기 자외선경화형수지층의 표면에 미세패턴이 형성되고, 상기 미세패턴의 그루브의 측벽이 상기 표면에 대하여 경사지며,
상기 그루브의 측벽과 인접한 측벽에 의해 형성된 돌출부의 상부의 폭 w2'는,
h' : 상기 그루브의 깊이; 및
w1' : 상기 그루브의 저부폭일 때, 이하의 관계식:
0.3 ×h' < (w2' - w1') < h' + 0.05
를 만족시키는 광학소자를 제공한다.
상기 구성의 광학소자에 의하면, 상기 그루브의 정상부의 폭 w2'가 상기 관계식을 만족시키기 때문에, 광학특성이 양호하고, 1차 회절 효율 및 효율비가 저하하지 않는다.
또한, 본 발명은, 미세패턴을 표면에 갖고, 상기 미세패턴의 그루브의 측벽이 상기 표면에 대하여 경사진 스탬퍼에 있어서,
상기 그루브의 측벽의 상기 표면에 대한 경사각 θ는 60°< θ< 70° 범위내에 있는, 스탬퍼를 제공한다.
본 발명에 의하면, 2P법에 의해 형성된 미세패턴에 있어서의 그루부의 측벽의 정밀도는, 상기 경사각 θ가 60°< θ< 70°의 범위내에 있으므로, 더욱 증가할 수 있다. 그 결과, 상기 광학소자의 광학특성에 악영향을 주지 않고, 광학소자의 1차 회절 효율 및 효율비가 저하하는 것을 확실히 방지할 수 있다.
또한, 상기 미세패턴에 있어서의 그루브의 측벽의 경사각 θ가 60°<θ< 70°의 범위내에 있기 때문에, 광학소자에 발생하는 성형 돌기의 발생빈도가 보다 감소한다. 그 결과, 상기 광학소자의 양산성을 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은, 투명기판 및 상기 투명기판의 양면에 프리머층을 통해 제공된 자외선경화형수지층을 구비하고,
상기 자외선경화형수지층의 표면에 미세패턴이 형성되고, 상기 미세패턴의 그루브의 측벽이 상기 표면에 대하여 경사진 광학소자에 있어서,
측벽의 상기 표면에 대한 경사각 θ'는 60°< θ'< 70°의 범위내에 있는 광학소자를 제공한다.
상기 구성의 광학소자에 의하면, 상기 경사각 θ'가 60°< θ' < 70°의 범위내에 있으므로, 광학특성이 보다 양호하고, 1차 회절 효율 및 효율비가 저하하지 않는다.
이하, 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 첨부하여 상세히 설명한다.
도1은, 본 발명의 광학소자의 일례인 홀로그램 소자(H)를 레이저유닛(U)에 부착시킨, 홀로그램 레이저유닛(HL)의 전체구성도이다.
상기 레이저유닛(U)에서, 히트 싱크(heat sink)(10a)는 스템(stem)(10)과 집적되어 형성되어 있다. 레이저칩(11)과 신호 독출용 수광소자(12)는 히트 싱크(10a)에 고정되고, 그 상부에 유리 윈도우(14)를 갖는 캡(13)으로 덮여있다. 캡(13)의 상부 표면에 접착제(15)를 통해 홀로그램 소자(H)의 하면이 고정되어 있다.
상기 홀로그램 소자(H)는, 플라스틱제의 투명기판(1), 프리머층(2,3), 자외선 경화형 수지층(4,5) 및 반사방지막(6,7)을 갖는다. 플라스틱제의 투명기판(1)의 표리양면에는, 밀착성을 증가시키기 위한 프리머층(2,3) 및 각각 미세패턴이 형성된 자외선경화형수지층(4,5)이 형성되어 있다. 자외선경화형수지층(4,5)의 표면은 내후성에 우수한 반사방지막(6,7)으로 덮여있다.
상기 투명기판(1)으로서는, 수미토모 화학사제의 아크릴 압출/성형재(상품명: 스미펙스, 등급명: E011)를 사용한다. 프리머층(2,3)으로서는, N-비닐-2-피르롤리돈(pyrrolidone) 용제를 사용한다. 자외선경화형수지층(4,5)으로서는, 미쓰비시 레이욘사제의 MP-107(용액에서 점도 330 cps)을 사용한다. 반사방지막(6,7)으로서는, ZrO2+TiO2 혼합층과 SiO2층의 2층 구조를 사용하고 있다.
상기 자외선경화형수지층(4,5)의 표면에는, 미세패턴으로서, 각각 홀로그램 패턴 및 격자패턴이, 후술하는 2P(photo-polymer) 성형법에 의해 서로 얼라인먼트된 후 성형되어 있다.
도2는, 상기 홀로그램 소자(H)의 제조공정 및 홀로그램 소자(H)를 레이저 유닛(U)에 고정하는 공정의 플로우챠트이다.
우선, 세정공정 S1에서는, 예컨대 130 mm × 130 mm × 2 mm의 투명기판(1) 10장을 카세트(cassette)에 장착하고, 전체 카세트를 순수한 물에 침지하여 초음파세정을 2분간 행한다. 그 후, 카세트를 IPA(이소프로필 알콜)에 침지하여 초음파세정을 2분간 행한 후, 투명기판(1)을 자연건조시킨다.
다음, 전처리공정 S2에서는, 카세트에 장착된 10장의 투명기판(1)을, 상기 N-비닐-2-피르롤리돈 용제에 침지한다. 그 후, 버텍사제 린서/드라이어 MODEL1600-3의 스핀 드라이어 장치를 사용하여 여분의 용제를 제거하고, 10분간 85℃의 크린 베이크 화로에서 건조시켜, 프리머층(2,3)을 형성한다.
상기 스핀 드라이어 장치에는, 가연성을 고려하여, 상기 용제에 대하여 내용제성이 있는 테프론(등록상표)재의 실드재를 사용하여, 방폭대책이 마련되어 있다.
다음, 2P 성형 공정 S3에서는, 후술하는 2P 성형장치를 사용하여 프리머층(2,3)상의 자외선경화형수지층(4,5)의 표면에 미세패턴을 형성한다.
다음, 반사방지막 형성공정 S4에서는, 반사막이 형성된다. 상기 공정에서는, 신크론(Shincron)사제의 증착장치 BMC-850DCI를 사용한다. 자외선경화형 수지층(4,5)측상에 ZrO2 + TiO2 혼합층과 SiO2층으로 구성된 2막구조의 반사방지막(6,7)을 RF-IP(고주파 이온 플래팅법)에 의해 형성한다.
분단공정 S5에서는, 디스코(Disco)사제의 다이싱 장치를 사용하여, 반사방지막(6,7)이 형성된 투명기판(1)을 소정형상으로 분단하여 홀로그램 소자(H)를 형성한다.
마지막으로, 홀로그램 고정공정 S6에서는, 쓰리본드(Three Bond)사제의 자외선경화형접착제 3033을 사용하여, 홀로그램 소자(H)를 레이저유닛(U)의 캡(13)에 고정한다.
도3은, 도2의 2P 성형공정 S3에서 사용되는 2P 성형장치(20)의 블록도이다.
도4는, 도3에 도시된 다이세트(die set)의 정면도이다. 상기 2P 성형장치(20)는, 도3에 나타낸 바와 같이, 다이세트(21), 다이세트장착부(22), 반송계(23) 및 노광부(24)로 구성되어 있다.
상기 다이세트(21)에 있어서는, 도4에 나타낸 바와 같이, 상부 금형(31)과 하부 금형(32)의 사이의 4개의 코너에 가이드 포스트(35)가 수직으로 배치된다. 도3의 다이세트장착부(22)측에 있는 유압 실린더(36)의 구동에 의해, 하부 금형(32)이 가이드 포스트(35)에 안내되면서 상부 금형(31)에 대하여 승강하여, 금형을 개폐시킨다. 상하의 금형(31,32)에는, 스탬퍼고정부(33,34)를 통해 스탬퍼(17,18)가 각각 고정되어 있다. 상기 스탬퍼(17,18) 사이에, 디스펜서 등을 사용하여 도포, 또는 적하되는 자외선경화형수지를 통해, 홀로그램 소자의 원료인 투명기판(1)이 끼워진다.
상기 스탬퍼(17,18)로서는, 예컨대 φ 125 mm × 3 mm 두께의 일본 세키에이(Sekiei)사제의 석영기판을 사용하여, 미리 포토리소그라피 기술에 의해 표면에 미세패턴이 형성되어 있다. 그리고, 상기 자외선경화형수지는, 3 kg/cm2의 가압력으로 디스펜서에 의해, 100 ms의 도포시간에 0.1 g의 양으로 도포된다.
상기 투명기판(1)에는, 2P 성형법에 의해 다음과 같이 미세패턴이 형성된다.
도4에 도시된 다이세트(21)의 상하의 금형(31,32)을 닫고, 가압력 3 kg/cm2으로 가압하여 2분30초 동안 유지한다. 상기 유지상태에는, 다이세트(21)를 반송계(23)(도3 참조)에 의해, 다이세트장착부(22)로부터 노광부(24)로 반송한다. 상기 노광부(24)에서는, 자외선을 20초 동안 조사하여 자외선경화형수지를 경화시켜, 자외선경화형수지층(4,5)을 형성한다. 이에 의해, 스탬퍼(17,18)의 미세패턴이, 투명기판(1)의 양면의 자외선경화형수지층(4,5)층에 정확히 전사된다. 이 때의 수지두께는 5∼10μm이다.
다음, 상기 다이세트(21)를, 반송계(23)에 의해 다시 다이세트장착부(22)에 반송한다. 여기서 가압을 해제하고, 상하의 금형(31,32)을 열어, 미세패턴이 표면에 형성된 자외선경화형수지층(4,5)을 갖는 투명기판(1)을 제거한다.
반면, 상기 미세패턴이 표면에 형성된 자외선경화형수지층(4,5)과 투명기판(1) 사이의 밀착성을 검사하기 위해 필테스트(peel test)를 행한다. 상기 필테스트는, 완성된 기판에 5 mm × 5 mm의 격자 패턴에 상처를 내고, 그 위에 붙인 테이프를 박리함으로써 행해졌다. 투명기판(1)과 자외선경화형수지층(4,5) 사이에는 박리가 발생하지 않았다.
이상의 2P 성형공정에 의해 투명기판의 양면의 자외선경화형수지층의 표면에 형성되는 미세패턴, 수지층의 미세패턴에 대응하는 스탬퍼 상에 형성된 미세패턴, 및 스탬퍼의 제조방법에 관해, 구체적 실험을 참조하여, 본 발명의 실시예들을 순차 설명한다.
도5는, 본 발명의 제1 실시예의 스탬퍼(17,18)에 있어서의 미세패턴의 확대도이다. 도5에 나타낸 바와 같이, 스탬퍼(17,18)의 미세패턴은 그루브(100) 및 철부(101)을 갖는다. 그루브(100)의 측벽(100a)은 상기 철부(101)의 정상 표면에 대하여 경사각 θ로 기울어져 있다.
본 발명의 제1 실시예에서는, 상기 경사각 θ는, 그루브(100)의 깊이를 h, 그 그루브(100)의 측벽(100a)에 의해 형성되는 철부(101)의 정상의 폭을 w1로 할 때, Tan-1(4 ×h ×w1 -0.2) < θ< 80°의 관계를 만족시킨다.
도6은, 본 발명의 제1 실시예의 광학소자의 일례로서의 홀로그램 소자(H)(도1 참조)의 자외선경화형수지층(4,5)의 표면에 형성된 미세패턴의 확대도이다. 이 미세패턴은, 도6에 나타낸 바와 같이, 그루브(200)의 측벽(200a)이 소자표면에 대하여 경사각 θ'로 기울어져 있다. 상기 소자표면에 대한 경사각 θ'는, 그루브(200)의 깊이를 h', 그 그루브(200)의 저부폭을 w1'로 하면, Tan-1(4 ×h' ×w1'-0.2) < θ< 80°의 관계를 만족시킨다.
상기 스탬퍼(17,18)에 있어서의 미세패턴의 경사각 θ의 관계식은 다음과 같이 얻어졌다. 우선, 각종 깊이 h 및 폭 w1을 갖는 스탬퍼(17,18)를 사용하여 자외선경화형수지층(4,5)의 표면에 미세패턴을 제작한다. 두번째로, 100개의 미세패턴에 대해서, 스탬퍼(17,18)의 이형(離型)에 의해 발생된 돌기를 광학 현미경으로 관찰하여, 상기 돌기의 발생률을 얻었다. 경사각 θ는, 미세 패턴의 단면형상을 주사형 전자현미경(SEM)으로 관찰함으로써 얻어졌다.
특히, 스탬퍼(17,18)의 미세패턴의 경사각 θ를 파라미터로 가정하면, θ가 90°부근일 때 상기 성형 돌기의 발생률이 가장 높았다. θ가 80°보다 작아지면 돌기의 발생률이 감소하기 시작했고, 60°∼70°에서 급격히 감소하기 때문에, 미세 패턴의 경사각 상한치를 80°로 하였다. θ의 하한치는, Tan-1(4 ×h ×w1 -0.2 )로부터 알 수 있는 바와 같이, 미세패턴형상의 h, w1에 의존한다. 예컨대, 그루브(100)의 깊이 h가 0.4μm이고, 철부(101)의 정상의 폭 w1이 0.7μm인 경우는 θ= 약 60°로 된다. 또한, 그루브(100)의 깊이 h가 0.4μm이고, 미세패턴의 폭 w1이 1.0μm인 경우는 θ= 약 58°로 된다. 상기 θ의 하한치는 회절 효율에 의해 결정된다. 특히, θ의 하한치는 1차 회절 효율이 2%보다 하회하지 않은 경우의 형상으로부터 실험적으로 얻어진 값이다.
따라서, 상기 스탬퍼(17,18)에 있어서의 미세패턴의 그루브(100)의 측벽(100a)의 경사각 θ는 60°< θ< 70°의 범위내인 것이 바람직하다.
또한, 상기 홀로그램 소자(H)의 자외선경화형수지층(4,5)에 있어서의 미세패턴의 그루브(200)의 측벽(200a)의 경사각 θ'는 60°< θ' < 70°의 범위내인 것이 바람직하다.
표 1은, 후술하는 다른 실시예들 뿐만 아니라 제1 실시예에 있어서의 철부(101)의 정상의 폭 w1, 철부의 저부의 폭 w2, 그루브(100)의 깊이 h, 경사각 θ, 성형 돌기발생률 및 1차 회절 효율을 도시한다.
도7은 제1 실시예에 의한 스탬퍼의 제조방법의 플로우 챠트이다. 도8a, 도8b, 도8e, 도8g 및 도8h는 제 1 실시예에 의한 스탬퍼의 제조방법의 공정단면도이다. 또, 도8a, 도8b, 도8e, 도8g 및 도8h는 도7의 S-a, S-b, S-e, S-g 및 S-h에 대응한다.
이하, 스탬퍼(17)의 제조방법에 대해 도7 및 도8을 참조하여 설명한다.
우선. 도7 S-a 및 도8a의 세정공정에서는, 석영기판(40)(φ125 mm, 두께 3 mm)을 예컨대 SPC 일렉트로닉스사제의 자동세정장치로 세정한다.
그리고, 도7 S-b 및 도8b 의 레지스트 도포공정에서는, 석영기판(40)에 레지스트(41)(시플레이(Shipley)사제의 레지스트 S1808)를 유아사(Yuasa)사제의 스핀 코터(spin coater)로 도포한다.
다음, 도7 S-c의 프리베이크(prebake) 공정에서는, 다이토론(Daitoron)사제의 크린 오븐에서 90℃로, 50분 동안 프리베이크한다.
다음, 도7 S-d의 노광공정에서는, 상기 석영기판(40)상의 레지스트(41)에 캐논(Canon)사제의 마스크 얼라이너 PLA-501을 사용하여 미세패턴을 노광한다.
도7 S-e 및 도8e의 현상공정에서는, 유아사(Yuasa)사제의 디벨로퍼를 사용하여, 현상액 시플레이(Shipley)사제의 마이크로포지트 351의 5배 희석액으로 현상을 행한다. 이에 의해, 소망의 패턴이 형성된 레지스트(41a)가 얻어진다.
도7 S-f의 포스트베이크 공정에서는, 다이토론(Daitoron)사제의 크린 오븐을 사용하여 90℃에서, 50분 동안 포스트베이크를 행한다.
도7 S-g 및 도8g의 RIE 공정에서는, 삼코(Samco) 인터내셔널 연구소사제의 10-NR 드라이에칭장치에 의해 2단계의 에칭을 행한다. 구체적으로는, 제1 단계의 에칭에서는, 입력전력 85 W가 사용되고, 도달진공도는 2.7 Pa이다. 유량 30 sccm의 CF4 가스와 유량 5 sccm의 O2 가스가 동시에 도입된다. 제1 에칭에서는, 180 nm의 깊이를 얻기 위해 8분의 시간이 걸린다. 제2 단계의 에칭에서는, 상기 진공상태를 유지하면서, 일단 입사 전력을 감소시키고, 유량 30 sccm의 CF4 가스만을 도입한다. 입력전력 85 W로 총 깊이 400 nm를 얻기 위해서는 9분이 걸린다. 이와 같이. 제1 및 제2 에칭에 의해, 석영기판(40a)의 표면에 미세패턴이 형성된다.
이 때, 제1 에칭의 선택비가 제2 에칭의 선택비보다 낮다. 상기 선택비는, 레지스트의 에칭 속도에 대한 스탬퍼부재의 에칭속도의 비이다. 즉, 레지스트(41a)의 에칭속도에 대한 석영기판(40)의 에칭속도의 비이다.
도7 S-h 및 도8h의 레지스트 제거공정에서는, 상기 드라이에칭장치로 O2 애싱에 의해(전력 20 W, O2 유량 50 sccm, 압력 20 Pa) 잔존 레지스트를 제거한다.
도7 S-i의 세정공정에서는, 석영기판(40a)을 세정한다. 상기 석영기판(40a)이 스탬퍼로 된다.
이러한 RIE에 의해 형성된 미세패턴은, h=0.41μm, w1=0.7μm 및 경사각 θ= 65°였다. 상기 미세패턴을 갖는 스탬퍼를 사용하여 홀로그램 소자(H)를 2P 법으로 제조하면, 성형 돌기 발생율은 5% 이하로 양호하였다. 또한, 1차 회절 효율도 18%로 저하하지 않고 양호하였다.
상기 미세패턴을 반응성이온에칭에 의해 형성하기 때문에, 일정품질의 스탬퍼를 얻을 수 있다. 또한, 상기 반응성이온에칭에 의한 미세패턴의 형성은, 저비용으로 양산성에 우수하다.
제1 실시예에서는, CF4의 반응성가스와 O2가스를 혼합하여 제1 에칭을 행하였지만, CHF3의 반응성가스와 O2가스를 혼합하여 제1 에칭을 행해도 좋다.
또한, 단일의 CF4의 반응성이온가스로 제2 에칭을 하였지만, 단일의 CHF3의 반응성이온가스로 제2 에칭을 행해도 좋다.
본 발명의 제2 실시예에 의하면, 상기 경사각 θ는, 경사각 θ그 자체를 측정하는 것이 아니라, 상기 철부의 정상의 폭 w1과, 그 철부의 저부의 폭 w2를 측정하는 것에 의해 제어된다. 즉, w2 - w1의 값을 0.3 ×h < (w2 - w1 ) < h + 0.05의 범위로 유지시키는 것에 의해 경사각 θ가 제어된다.
또한, (w2 - w1)의 하한은 60°이고, (w2 - w1)의 상한은 80°이다. 상기 한계는, 각종 경사각을 갖는 스탬퍼의 폭 w1, w2를 측정함으로써 실험적으로 구한 값이다.
제2 실시예에 의한 스탬퍼의 실험 데이터에서는, 표 1에 도시한 바와 같이, 스탬퍼의 미세패턴이 그루브의 깊이 h=0.40μm, 그 그루브의 측벽에 의해 형성된 철부의 정상의 폭 w1=0.7μm, 그 철부의 저부의 폭 w2=0.9μm인 형상을 갖는다. 또한, 상기 미세패턴에 있어서의 그루브의 측벽의 경사각 θ는 65°이다.
상기한 바와 같이 w1, w2에 의해 제어된 경사각 θ를 갖는 스탬퍼에서는, 표 1에 도시된 바와 같이, 성형 돌기 발생율이 5% 이하로 양호하였고, 1차 회절 효율은 18%로 문제없는 값이었다.
또, 제2 실시예의 스탬퍼에는, 상기 제1 실시예와 동일한 공정, 즉 세정, 레지스트도포, 프리베이크, 노광, 현상 및 포스트베이크가 행해진다. 그 후, 상기 제1 실시예와 동일한 에칭장치를 사용하여 동일한 에칭이 실시된다.
본 발명의 제3 실시예에서는, 스탬퍼의 형성방법은, 상기 제1 실시예와 같이 세정, 레지스트도포, 프리베이크, 노광, 현상 및 포스트베이크의 동일한 공정을 갖는다. 그러나, 상기 제1 실시예와 동일한 에칭장치, 즉 삼코(Samco) 인터내셔널사제의 10-NR 드라이에칭장치를 사용하여 2단계의 에칭을 행하지만, 제3 실시예는 RIE 공정의 제1 에칭시 제1 실시예와 상이하다. 구체적으로는, 제1 에칭에서는, 입력전력 50 W, 도달진공도 20 Pa에서, O2가스만을 1분동안 50 sccm 도입한다. 상기 제1 에칭에서는, 미세 레지스트의 형상이, 구형으로부터 사다리꼴로 변하고, 미세형상의 철부에지가 둥글게 되도록 변화한다. 그리고, 제2 에칭에서는, 입사전력 85 W, 도달진공도 2.7 Pa에서, CF4가스만을 18분동안 30 sccm을 도입하여, 총 깊이 400 nm를 얻었다. 그 후, 상기 제1 실시예와 같이, O2에 의한 잔존레지스트의 애싱, 세정을 행한다.
이러한 RIE에 의해 형성된 미세패턴의 형상은, h=0.38 m, w=0.70μm이고 경사각 θ= 70°이다.
또한, 상기 스탬퍼를 사용하여 홀로그램 소자를 2P법으로 제조하면, 표 1에 도시된 바와 같이, 성형 돌기 발생률은 약 5%로 양호하고, 1차 회절 효율은 18%로 문제없는 값이었다.
본 발명의 제4 실시예의 스탬퍼는, 제1 실시예와 동일하게 제작된다. 상기 스탬퍼의 미세패턴 형상은, 표 1에 도시된 바와 같이 h=0.40μm, w1=1.02μm, 경사각도 θ≒ 62°였다. 제4 실시예와 제1 실시예 사이의 중요한 차이점은, 철부의 정상의 폭 w1이다. 상기 스탬퍼를 사용하여 홀로그램 소자를 2P법으로 제조하면, 성형 돌기 발생율은 5% 이하이고, 1차 회절 효율은 18%로 양호하였다.
표 1의 제1 비교예는 종래 스탬퍼에 기초하고 있다. 즉, 제1 비교예는 종래의 에칭에 의해 제작된 스탬퍼를 사용하여 성형한 광학소자의 성형상황을 나타낸다. 세정, 레지스트도포, 프리베이크, 노광, 현상 및 포스트베이크는 제1 실시예와 동일하다. 그러나, 입력전력 85 W에서 가스 CF4 80 sccm과 O2가스 2 sccm을 도입하여, 400 nm의 깊이를 얻기 위해 상기 제1 실시예에서 사용된 에칭장치에 의해, 25분간의 에칭을 행한다. 그 에칭후, 상기 에칭장치로 O2 애싱(50 W, O2 유량 50 sccm)에 의해 잔존레지스트를 제거한다. 상기와 같이 형성된 스탬퍼에 있어서의 미세패턴의 형상은 h=0.4μm, w= 0.7μm, 경사각 θ≒ 55°이다.
상기 제1 비교예의 스탬퍼를 사용하여 홀로그램 소자(H)를 제조하면, 성형 돌기 발생률은 5% 이하이지만, 1차 회절 효율은 통상보다 3%정도 낮은 15%이다. 또한, 1차 회절 효율비도 0.9를 하회하였다.
또한, 상기 표 1의 제2 비교예로서, 미세패턴을 제작하는 공정들은 에칭 공정 전의 제1 실시예와 동일하다. 그러나, 에칭공정에 있어서, CF4 가스 30 sccm만을 도입하고, 입사전력 85 W, 도달진공도 2.7 Pa로, 24분동안 에칭을 행한다. 이와 같이 형성된 스탬퍼에 있어서의 미세패턴의 형상은, h=0.40μm, w=0.75μm, 경사각 θ≒ 83°였다.
상기 제2 비교예의 스탬퍼를 사용하여 홀로그램 소자(H)를 제조하면, 성형 돌기 발생률은 제1 실시예보다 높은 약 20%였다.
이와 같이, 본 발명에 의하면, 2P 법에 의해 형성되는 미세패턴에 있어서의 도랑의 측벽의 구배의 정밀도를 높일 수 있고, 광학소자의 양산성을 향상시킬 수 있는 스탬퍼가 제공된다.
또한, 본 발명에 의하면, 일정품질을 얻을 수 있는 스탬퍼의 제조방법 및 그 스탬퍼로 형성된 광학소자가 제공되며. 또한, 저비용으로 양산성에 우수한 스탬퍼의 제조방법이 제공된다.
삭제
도1은, 본 발명의 광학소자의 일례인 홀로그램 소자를 레이저유닛에 장착한, 홀로그램 레이저유닛의 전체구조도이다.
도2는, 상기 홀로그램 소자의 제조공정, 및 홀로그램 소자를 레이저유닛에 고정하는 공정의 플로우 챠트이다.
도3은, 도2에 도시된 2P 성형공정에 사용되는 2P 성형장치의 블록도이다.
도4는, 도3에 도시된 다이세트의 정면도이다.
도5는, 본 발명의 제1 실시예의 스탬퍼에 있어서의 미세패턴의 확대도이다.
도6은, 본 발명의 제1 실시예의 홀로그램 소자에 있어서의 미세패턴의 확대도이다.
도7은 본 발명의 제1 실시예의 스탬퍼의 제조방법의 플로우 챠트이다.
도8a, 도8b, 도8e, 도 8g 및 도8h는, 상기 제1 실시예의 스탬퍼의 제조방법의 공정도이다.
도9a 내지 도9f는, 종래의 홀로그램 소자의 제조공정도이다.
도10a 내지 도10c는, 종래의 2P 성형법에 의한 홀로그램 소자의 제조공정도이다.
도11a 내지 도11d는, 종래의 양면 2P 성형법에 의한 홀로그램 소자의 제조공정도이다.
도12는, 종래의 스탬퍼의 제조공정도이다.
도13a, 도13b, 도13e, 도13g 및 도13h는, 종래의 스탬퍼의 제조공정단면도이다.
도14는 종래의 2P 성형법에 의해 발생하는 성형 돌기(burr)를 설명하기 위한 도면이다.

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 미세패턴을 표면에 갖고, 상기 미세패턴의 그루브의 측벽이 상기 표면에 대하여 경사진 스탬퍼에 있어서,
    상기 그루브의 측벽과 인접한 측벽에 의해 형성된 철부의 저부의 폭 w2는,
    h: 상기 그루브의 깊이; 및
    w1: 상기 철부의 정상의 폭일 때, 이하의 관계식:
    0.3 ×h < (w2 - w1) < h + 0.05
    을 만족시키는, 스탬퍼.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 미세패턴은 반응성 이온에칭에 의해 형성되는, 스탬퍼.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 미세패턴은, 제1 에칭 및 상기 제1 에칭의 선택비보다 낮은 선택비를 갖는 제2 에칭에 의해 형성되는, 스탬퍼.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 에칭은, CF4 또는 CHF3의 반응성이온가스와 산소가스의 혼합물을 사용하여 행해지고,
    상기 제2 에칭은, CF4 또는 CHF3의 단일 반응성이온가스를 사용하여 행해지는, 스탬퍼.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 미세패턴은, 산소를 사용하여 레지스트에 대해 행하는 제1 에칭과, CF4 또는 CHF3의 반응성이온가스에 의한 제2 에칭에 의해 형성되는, 스탬퍼.
  7. 삭제
  8. 투명기판 및 이 투명기판의 양면에 프리머층을 통해 제공된 자외선경화형수지층을 구비하고;
    상기 자외선경화형수지층의 표면에 미세패턴이 형성되고, 상기 미세패턴의 그루브의 측벽이 상기 표면에 대하여 경사진 광학소자에 있어서,
    상기 그루브의 측벽과 인접한 측벽에 의해 형성된 돌출부의 상부의 폭 w2'는,
    h' : 상기 그루브의 깊이; 및
    w1' : 상기 그루브의 저부폭일 때, 이하의 관계식:
    0.3 ×h' < (w2' - w1') < h' + 0.05
    를 만족시키는, 광학소자.
  9. 삭제
  10. 삭제
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