KR101136258B1 - 내부에 나노 개구 구비 금속막이 형성된 소자의 제조방법, 그 방법으로 제조된 나노 소자, 광학렌즈 및 플라즈모닉 광학헤드 - Google Patents

내부에 나노 개구 구비 금속막이 형성된 소자의 제조방법, 그 방법으로 제조된 나노 소자, 광학렌즈 및 플라즈모닉 광학헤드 Download PDF

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Abstract

내부에 나노 개구 구비 금속막이 형성된 소자의 제조방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 내부에 나노 개구 구비 금속막이 형성된 소자의 제조방법은 가공대상물의 표면에 희생층을 형성하는 희생층 형성단계; 희생층에 제1금속박막층을 적층형성하는 가공표층 형성단계; 제1금속박막층과 희생층을 관통하게 집속이온빔(FIB, focused ion beam)을 조사하여, 가공대상물에 홈을 가공하는 베이스홈 형성단계; 홈이 형성된 가공대상물의 일측부에 금속층을 재형성하여 홈 내부에 제2금속박막층을 형성하는 베이스판 형성단계; 희생층을 가공대상물 표면에서 제거하는 희생층 제거단계; 및 집속이온빔을 조사하여, 가공대상물 내부에 증착된 제2금속박막층에 나노사이즈의 개구(nano aperture) 또는 그루브(groove)를 형성하는 나노개구 형성단계;를 포함한다.

Description

내부에 나노 개구 구비 금속막이 형성된 소자의 제조방법, 그 방법으로 제조된 나노 소자, 광학렌즈 및 플라즈모닉 광학헤드{manufacturing process of element include metal film having nano-scale aperture, nano-scale element, optical lens and plasmonic optical head manufactured the method}
본 발명은 소자 내부에 나노사이즈의 개구를 가지는 금속막을 형성하는 방법과 그 방법으로 제조된 나노 소자, 광학렌즈 및 플라즈모닉 광학헤드에 관한 것이다.
일반적으로 플라즈몬(plasmon)이란 금속 내의 자유전자가 집단적으로 진동하는 유사 입자를 말한다. 금속의 나노 입자에서는 플라즈몬이 표면에 국부적으로 존재하기 때문에 표면 플라즈몬(surface plasmon)이라 칭하기도 한다.
특히, 금속 나노 입자에서는 가시~근적외선 대역 빛의 전기장과 플라즈몬이 짝지어지면서 광흡수가 일어나 선명한 색을 띠게 되는 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance) 현상이 발생하며, 국소적으로 매우 증가된 전기장을 발생시킨다.
이것은 빛 에너지가 표면 플라즈몬에 변환되어 금속의 나노 입자 표면에 축적되었음을 뜻하며, 빛의 회절 한계보다 작은 영역에서 광 제어가 가능함을 의미하기도 한다. 이러한 금속 나노입자와 빛의 상호작용이 최근 광기술 분야에서 주목받고 있으며, 표면 플라즈몬의 설계, 제어, 응용기술은 전자공학과 광공학에서 플라즈모닉스(Plasmonics)라고 한다.
근래의 플라즈모닉 광학장치는 광원의 회절 한계 이하로 광을 집속시키기 위해, 수 내지 수십 나노미터(nm)구경의 개구(이하, 나노 개구)를 이용하고 있으며, 이러한 나노 개구를 통과한 광은 해상도 및 초점심도 측면에서 일반적인 광원보다 우수한 장점이 있어, 나노 개구를 이용하여 광을 집속하거나 투과도를 개선하는 기술에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.
특히, 나노 개구를 갖는 금속 박막으로 구성되어 표면 플라즈몬 공명을 유발하는 플라즈모닉 소자는 고투과 및 고분해능을 실현하는 것으로 알려져 있으며, 나노 개구의 크기가 빛의 파장 이하로 작아지게 되면 광의 투과도가 급격히 줄어들고 개구 전면에 근접장이 형성되며, 이러한 근접장과 금속 박막 사이에서 형성되는 표면 플라즈몬파가 결합되어 나노사이즈 이하로 강하게 집속되는 광이 생성된다.
이러한 나노사이즈 이하의 집광 기술을 구현하기 위한 플라즈모닉 소자는, 한국등록특허 제875271호의 렌즈 구조체, 한국등록특허 제641092호의 근접장 광 기록 재생 장치를 포함한 다수에 개시되어 있으나, 중앙에 개구를 가지는 금속 박막이 렌즈와 같은 광학소자의 표면에 형성된 구조에 한정되어 있다.
본 발명은 렌즈 표면에 플라즈모닉 소자가 형성된 기존의 획일적인 구조를 탈피하여 보다 다양한 집광 기술의 적용, 개발이 가능한 새로운 형태의 플라즈모닉 소자를 제조할 수 있는 내부에 나노 개구 구비 금속막이 형성된 소자의 제조방법, 그 방법으로 제조된 나노 소자, 광학렌즈 및 플라즈모닉 광학헤드를 제공하고자 한다.
상술한 바와 같은 목적 달성을 위한 본 발명은, 가공대상물(10)의 표면에 희생층(21)을 형성하는 희생층 형성단계(S2); 상기 희생층(21)에 제1금속박막층(22)을 적층형성하는 가공표층 형성단계(S3); 상기 제1금속박막층(22)과 희생층(21)을 관통하게 집속이온빔(FIB, focused ion beam)을 조사하여, 상기 가공대상물(10)에 홈(11)을 가공하는 베이스홈 형성단계(S4); 상기 홈(11)이 형성된 상기 가공대상물(10)의 일측부에 금속층을 재형성하여 상기 홈(11) 내부에 상기 제2금속박막층(23)을 형성하는 베이스판 형성단계(S5); 상기 희생층(21)을 상기 가공대상물(10) 표면에서 제거하는 희생층 제거단계(S6); 및 집속이온빔을 조사하여, 상기 가공대상물(10) 내부에 형성된 제2금속박막층(23)에 나노사이즈의 개구(nano aperture)(30) 또는 그루브(groove)를 형성하는 나노개구 형성단계(S7);를 포함하여 구성되는 내부에 나노 개구 구비 금속막이 형성된 소자의 제조방법을 기술적 요지로 한다.
또한, 상기 희생층 형성단계(S2), 가공표층 형성단계(S3), 베이스판 형성단계(S5)에서는, 진공상태에서 금속이나 화합물을 가열, 증발시키고 그 증기로 상기 가공대상물(10) 표면에 막을 입히는 증착에 의해 상기 희생층(21), 제1금속박막층(22), 제2금속박막층(23) 각각을 형성할 수 있다.
또한, 상기 베이스판 형성단계(S5)는, 상기 제2금속박막층(23)이 형성되는 상기 가공대상물(10)의 일측부가, 상기 홈(11) 둘레에 형성된 상기 제1금속박막층(22)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 희생층 제거단계(S6)는, 용제(solvent)에 용해되는 소재로 구성된 상기 희생층(21)에 용제를 공급하면서 이루어질 수 있다.
또한, 상기 희생층 제거단계(S6)에서는, 상기 희생층(21)을 제거하는 것에 의해, 상기 희생층(21)에 증착된 상기 제1, 2금속박막층(22, 23)을 함께 상기 가공대상물(10) 표면에서 제거할 수 있다.
또한, 상기 베이스홈 형성단계(S4)는, 상기 제1금속박막층(22), 희생층(21), 가공대상물(10) 각각의 이차전자 수율(secondary electron yield)을 실시간으로 감지하면서, 이차전자 수율의 차에 의해 상기 제1금속박막층(22), 희생층(21), 가공대상물(10)간의 경계를 확인하며 이루어질 수 있다.
또한, 상기 베이스홈 형성단계(S4) 이전에, 집속이온빔의 조사에 의한 상기 가공대상물(10) 소재의 스퍼터링 수율을 실험, 측정하여, 집속이온빔의 가공변수 제어에 따른 상기 가공대상물(10)의 가공특성을 예측하는 베이스홈 가공속도 예측단계(S1-1);를 더 포함하여 구성될 수 있다.
이에 따라, 상기 베이스홈 형성단계(S4)에서는, 상기 베이스홈 가공속도 예측단계(S1-1)에서 예측된 상기 가공대상물(10) 소재의 가공특성을 적용하여 상기 가공대상물(10)을 가공할 수 있다.
또한, 상기 나노개구 형성단계(S7) 이전에, 집속이온빔의 조사에 의한 상기 제2금속박막층(23) 소재의 스퍼터링 수율을 실험, 측정하여, 집속이온빔의 가공변수 제어에 따른 상기 제2금속박막층(23)의 가공특성을 예측하는 나노개구 가공속도 예측단계(S1-2);를 더 포함하여 구성될 수 있다.
이에 따라, 상기 나노개구 형성단계(S7)는, 상기 나노개구 가공속도 예측단계(S1-2)에서 예측된 상기 제2금속박막층(23) 소재의 가공특성을 적용하여 상기 가공대상물(10)을 가공할 수 있다.
또한, 상기 집속이온빔의 가공변수는, 스캔방법, 가속전압, 단위면적당 이온빔전류량(ion beam current), 드웰타임(dwell time), 오버랩(overlap), 이온도즈(ion dose) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은, 나노사이즈의 공정에 사용되는 나노 소자에 있어서, 제1항에 의한 상기 내부에 나노 개구 구비 금속막이 형성된 소자의 제조방법에 의해 제조되어, 나노사이즈의 개구(aperture) 또는 그루브(groove)를 가지고 가공대상물 내부에 형성되는 금속막;을 포함하여 구성되는 나노 소자를 다른 기술적 요지로 한다.
또한, 본 발명은, 고체침지렌즈(SIL, soild immersion lens)와 같은 광학렌즈에 있어서, 상기 내부에 나노 개구 구비 금속막이 형성된 소자의 제조방법에 의해 제조되어, 내부에 나노사이즈의 개구(aperture) 또는 그루브(groove)가 형성된 금속막을 가지는 광학렌즈를 또 다른 기술적 요지로 한다.
또한, 본 발명은, 플라즈모닉 광학헤드(plasmonic optical head)(미도시)에 있어서, 상기 내부에 나노 개구 구비 금속막이 형성된 소자의 제조방법에 의해 제조되어, 내부에 나노사이즈의 개구(aperture) 또는 그루브(groove)가 형성된 금속막을 가지는 광학렌즈;를 포함하여 구성되는 플라즈모닉 광학헤드를 또 다른 기술적 요지로 한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 내부에 나노 개구를 가지는 금속막이 형성된 광학렌즈, 플라즈모닉 광학헤드를 개시함으로서, 렌즈 표면에 플라즈모닉 소자가 형성된 기존의 획일적인 구조를 탈피하여 보다 다양한 집광 기술의 적용, 개발이 가능하도록 한다.
고체침지렌즈를 포함한 다양한 광학렌즈, 플라즈모닉 광학헤드에 적용하는 것에 의해 차세대 패터닝 기반, 적용 기술에 이르기까지 실질적으로 기여할 수 있으며, 나노 개구를 가지는 금속 소자, 장치가 적용되는 다른 다양한 첨단 산업의 나노 기술에도 접목할 수 있다.
또한, 가공대상물, 금속박막층의 스퍼터링 수율을 이용하여 집속이온빔의 가공변수를 제어하며, 나노 사이즈의 다양한 기하학적 형상의 베이스판(base plate)와 나노 개구(nano aperture)를 원하는 형상으로 원하는 깊이만큼 정밀하게 가공할 수 있다.
도 1 - 본 발명의 일실시예에 따른 내부에 나노 개구 구비 금속막이 형성된 소자의 제조방법을 도시한 흐름도
도 2 - 도 1에 도시된 일실시예를 적용하는 가공대상물 내부에 플라즈모닉 소자를 형성하는 공정을 도시한 개념도
도 3 - 베이스홈 형성단계에서 집속이온빔을 이용하여 홈을 형성하는 과정을 도시한 개념도
도 4 - 본 발명의 실시예에 따른 내부에 나노 개구 구비 금속막이 형성된 소자의 제조방법을 고체침지렌즈에 적용하여 내부에 플라즈모닉 소자를 형성하는 공정을 도시한 개념도
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 내부에 나노 개구 구비 금속막이 형성된 소자의 제조방법을 도시한 흐름도이고, 도 2는 도 1에 도시된 일실시예를 적용하는 가공대상물 내부에 플라즈모닉 소자를 형성하는 공정을 도시한 개념도이다.
도 1, 도 2의 (a) 내지 (f)를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 내부에 나노 개구 구비 금속막이 형성된 소자의 제조방법은, 희생층 형성단계(S2), 가공표층 형성단계(S3), 베이스홈 형성단계(S4), 베이스판 형성단계(S5), 희생층 제거단계(S6), 나노개구 형성단계(S7)의 순서로 이루어진다.
상기 희생층 형성단계(S2)는, 가공대상물(10)의 표면에 희생층(21)을 형성하는 단계로, 상기 희생층(21)은 용제(solvent)에 용해되는 소재로 구성되되, 상기 희생층(21)의 소재와 그 용제는 이하 설명될 제2금속박막층(23)을 소재에 영향을 끼치지 않는 물질로 구성된다.
상기 희생층(21)은, 솔벤트(solvent)를 용제로 하여 용이하게 용해 및 제거가능한 물질인 HSQ(hydrogen silsesquioxane), Silicon oxide, PP(Polypropylane film), PMMA(polymethyl methacrylate), SU-8 포토래지스트 중에서 하나일 수 있다.
이하 설명될 희생층 제거단계(S6)에서는, 상기 희생층(21)이 HSQ나 PMMA인 경우에는 HF, 상기 희생층(21)이 PMMA나 SU-8 포토래지스트인 경우에는 KOH와 같은 물질로 구성된 솔벤트 용액에 담그거나 상기 솔벤트 용액을 상기 희생층(21)에 분사하는 방식에 의해 상기 희생층(21)을 용이하게 제거가능하다.
상기 가공대상물(10)은, 집속이온빔을 조사하여 가공 가능하다면, 이하 설명될 고체침지렌즈(SIL, soild immersion lens) 등과 같은 광학렌즈의 소재로 일반적으로 적용되는 유리, 합성수지재 등의 비전도성 소재, 또는 금속재 등의 전도성 소재를 포함하여 특정하게 한정되지 않는다.
도 2의 (b)를 참조하면, 상기 가공표층 형성단계(S3)에서는, 상기 희생층(21)에 제1금속박막층(22)을 적층형성하며, 도 2의 (c)를 참조하면, 상기 베이스홈 형성단계(S4)에서는 집속이온빔(FIB, focused ion beam)이 상기 제1금속박막층(22)과 희생층(21)을 관통하여 상기 가공대상물(10)에 도달되도록 집속이온빔을 조사하여, 상기 가공대상물(10)에 홈(11)을 가공한다.
일반적으로 집속이온빔 가공은 집적된 이온에너지를 빔형태로 가공대상물의 표면에 조사하여 가공하는 것으로, 이온이 가공대상물의 표면에 가속 충돌하여 가공대상물 표면의 원자가 충격력에 의해 중성자, 이차전자, 이차이온들로 분해되며 튀어나오도록 하는 스퍼터링(sputtering) 작용을 이용하여 이온빔을 일정한 속도로 이동시키면서 재료를 제거하는 가공방법이다.
집속이온빔 장치를 이용하여 비전도성 소재(유전체) 가공 시, 스퍼터링 공정에서 조사되는 이온이 재료 표면에 잔류하여, 이온 광학계를 통해 재료에 조사되는 이온이 잔류하는 이온과의 반발작용으로 인해 정확한 빔 조사가 이루어지지 못하게 되는 현상을 충전효과(charging effect)라고 한다.
상기 가공대상물(10)이 비전도성 소재로 구성된 경우, 이러한 충전효과 때문에 원활한 가공이 이루어지지 못하는데, 상기 가공대상물(10) 표면에 상기 제1금속박막층(22)을 형성하면 충전효과를 줄일 수 있어, 상기 베이스홈 형성단계(S4)를 수행함에 있어서, 비전도성 소재의 집속이온빔 가공 한계를 극복할 수 있다.
충전효과를 제거하는 방법으로는 유전체의 두께가 얇을 경우는 입사 전자선의 에너지를 높이는 방법, 유전체의 두께가 두꺼울 경우에는 입사 전자선의 에너지를 낮추고 시료 표면과 이루는 각도를 작게하는 방법, 상기 가공표층 형성단계(S3)와 같이 시료 표면의 전기전도도를 향상시키는 전처리를 수행하는 방법이 있다.
도 3의 (a), (b)는 상기 베이스홈 형성단계(S4)에서 집속이온빔을 이용하여 상기 홈(11)을 형성하는 과정을 도시한 개념도와, 각 가공 과정에서 사용자에게 보이는 실시간 이미지를 도시한 것이다.
도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 제1금속박막층(22), 희생층(21)이 가공되는 중에는, 이차전자가 발생하여 밝은 이미지가 측정되다가, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 희생층(21)과 가공대상물(예를 들어, 고체침지렌즈)(10)의 경계에 도달하여 상기 가공대상물(10)의 표면이 가공되기 시작하면, 충전효과에 의해 집속이온빔 가공이 원활하게 이루어지지 못하면서 이미지의 밝기(brightness)가 갑자기 어두워지는 것을 확인할 수 있다.
이차전자의 발생은 이온빔과 고체 가공대상물간의 충돌에 의한 고체 표면으로부터의 전자방출 현상으로, 이온빔이 표면에 조사되면 전자, 양이온, 음이온, 광자, 중성자들이 생성되는데, 이때 이차이온보다 더 많은 양의 이차전자 수율이 집속이온빔의 이미징에 중요한 역할을 하게 된다. 이차전자가 많이 발생될수록 이미지가 밝게 측정되고, 이차전자 발생량이 적을수록 이미지가 어둡게 측정되는데, 이러한 차이의 비를 이차전자 수율이라 한다.
상기 베이스홈 형성단계(S4)에서는, 상기 제1금속박막층(22), 희생층(21), 가공대상물(10) 각각의 이차전자 수율을 실시간으로 감지하면서, 이차전자 수율의 차에 의해 상기 제1금속박막층(22), 희생층(21), 가공대상물(10)간의 경계를 확인하며 이루어질 수 있다.
이온 하나가 표면에 조사되었을 때 제거되는 양을 스퍼터링 수율(sputtering yield)이라 하며, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 베이스홈 형성단계(S4) 이전에, 상기 가공대상물(10) 소재의 스퍼터링 수율을 실험, 측정하여, 집속이온빔의 가공변수 제어에 따른 상기 가공대상물(10)의 가공특성(예를 들어, 가공속도)을 예측하는 베이스홈 가공속도 예측단계(S1-1)를 수행할 수도 있다.
상기 집속이온빔의 주요 가공변수는, 스캔방법, 가속전압(acceleration voltage), 단위면적당 이온빔전류량(ion beam current), 드웰타임(dwell time), 오버랩(overlap), 이온도즈(ion dose)이다.
스캔방법은 점방식(raster), 나선식(spiral) 스캔 등으로 구분할 수 있으며, 일반적으로 나선식 스캔이 가공품질의 균일성 등의 측면에서 가공 신뢰성이 높다고 알려져 있으며 , 가속전압은 전자나 이온 등의 하전입자를 가속하기 위해 인가하는 전압이다.
이온빔 전류량은 이온소스에서 발생하는 이온이 개구(aperture)의 원형 홀의 크기에 따라 통과하는 양이 달라진다. 이온빔 전류량은 패러데이컵을 이용하여 측정한다. 통과한 이온은 일정한 크기로 집속되므로 이온빔의 직경(beam size)은 이온빔 전류에 종속적으로 결정된다.
드웰타임은 이온빔이 시료표면을 조사하는 속도로서 각 조사지점에 이온빔이 머무는 시간이고, 오버랩은 가공 영역 내에 이온빔이 조사될 때 이온빔과 이온빔이 조사되는 거리로서 이온빔의 직경을 기준으로 겹쳐지는 비율이며, 이온도즈는 단위면적당 조사되는 이온의 개수로서 이온의 양에 따라 밀링 시 가공깊이, 증착 시 증착 높이를 설정하는 기준이 된다.
상기 베이스홈 가공속도 예측단계(S1-1)를 거쳐 집속이온빔의 가공변수 제어에 따른 상기 가공대상물(10)의 가공특성을 미리 파악해 둠으로써, 상기 베이스홈 형성단계(S4)에서는, 상기 베이스홈 가공속도 예측단계(S1-1)에서 예측된 상기 가공대상물(10) 소재의 가공특성을 적용하여, 상기 가공대상물(10)을 원하는 형상으로 원하는 깊이만큼 정밀하게 가공할 수 있다.
예를 들어, 상기 베이스홈 형성단계(S4)에서 집속이온빔을 상기 가공대상(10)물측으로 조사하고 있는 중에 이차전자 수율의 변화가 1차적으로 발생되는 지점은 상기 제1금속박막층(22)과 희생층(21)간의 경계, 이차전자 수율의 변화가 2차적으로 발생되는 지점 또는 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 이미지가 갑자기 어두어지는 지점은 상기 희생층(21)과 가공대상물(10)간의 경계로 인식할 수 있다.
상기와 같은 방법에 의해, 상기 희생층(21)의 두께를 정확하게 파악하고 있지 않더라도, 상기 희생층(21)과 가공대상물(10)간의 경계를 정확하기 인식할 수 있으며, 상기 희생층(21)과 가공대상물(10)간의 경계가 인식된 시점에서는 상기 베이스홈 가공속도 예측단계(S1-1)에서 파악된 집속이온빔 가공변수를 적용, 제어하면서 상기 가공대상물(10)을 원하는 형상으로 미세 가공하게 된다.
도 2의 (d)를 참조하면, 상기 베이스판 형성단계(S5)는, 상기 홈(11) 내부에 상기 제2금속박막층(23)을 형성하기 위해, 상기 홈(11)과 상기 홈(11) 둘레에 형성된 상기 제1금속박막층(22)을 포함하는 상기 가공대상물(10)의 일측부에 금속층을 재형성하는 과정이다.
상기 베이스판 형성단계(S5)에서, 상기 제2금속박막층(23)은, 상기 제1금속박막층(22)의 외측에서 일정한 두께로 상기 가공대상물(10)의 표면에 적층형성됨에 따라, 상기 제1금속박막층(22)의 표면과, 상기 가공대상물의 홈(11) 내부에 형성된다.
상기 희생층 형성단계(S2), 가공표층 형성단계(S3), 베이스판 형성단계(S5)는, 진공상태에서 금속이나 화합물을 가열, 증발시키고 그 증기로 상기 가공대상물(10) 표면에 막을 입히는 증착에 의해 상기 희생층(21), 제1금속박막층(22), 제2금속박막층(23) 각각을 균일한 두께로 형성할 수 있다.
상기 희생층(21), 제1금속박막층(22)의 두께는 특정하지 않으며, 상기 제2금속박막층(23)의 두께 또한 상기 가공대상물의 홈(11)의 깊이 등에 따라 결정되므로, 특정한 수치 범위로 한정되지 않는다.
도 2의 (e)를 참조하면, 상기 희생층 제거단계(S6)는, 상기 희생층(21)을 상기 가공대상물(10) 표면에서 제거하는 과정으로, 용제(solvent)에 용해되는 소재로 구성된 상기 희생층(21)에 용제를 공급하면서 이루어지며, 상기 희생층(21)의 제거와 동시에, 상기 희생층(21)에 적층형성된 상기 제1금속박막층(22), 제2금속박막층(23)이 함께 상기 가공대상물(10) 표면으로부터 제거된다.
도 2의 (f)를 참조하면, 상기 나노개구 형성단계(S7)는, 상기 가공대상물의 홈(11) 내부에 형성된 제2금속박막층(23)에 집속이온빔을 조사하여 나노사이즈의 개구(nano aperture)(30) 또는 그루브(groove)와 같은 나노 패터닝을 형성하는 과정이다.
본 발명의 설명에서는, 설명의 편의상 '나노사이즈의 개구(nano aperture)(30) 또는 그루브(groove)와 같은 나노 패터닝'을, '나노사이즈의 개구' 또는 '나노개구'로 간단히 통칭하고 있으므로, '나노사이즈의 개구' 또는 '나노개구'로 지칭된 부분에 대해서도 그루브(groove)와 같은 나노 패터닝의 개념을 포함한다고 보아야 할 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 나노개구 형성단계(S7) 이전에, 상기 제2금속박막층(23) 소재의 이차전자 수율을 실험, 측정하여, 집속이온빔의 가공변수 제어에 따른 상기 제2금속박막층(23)의 가공특성(예를 들어, 가공속도)을 예측하는 나노개구 가공속도 예측단계(S1-2)를 수행할 수도 있다.
상기 나노개구 가공속도 예측단계(S1-2)를 거쳐 집속이온빔의 가공변수 제어에 따른 상기 가공대상물(10)의 가공특성을 미리 파악해 둠으로써, 상기 베이스홈 가공속도 예측단계(S1-1) 및 베이스홈 형성단계(S4)의 경우와 마찬가지로, 상기 나노개구 형성단계(S7)에서는, 상기 나노개구 가공속도 예측단계(S1-2)에서 예측된 상기 가공대상물(10) 소재의 가공특성을 적용하여, 상기 가공대상물(10)을 원하는 형상으로 원하는 깊이만큼 정밀하게 가공할 수 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 일실시예에 따른 내부에 나노 개구 구비 금속막이 형성된 소자의 제조방법은, 나노사이즈의 공정에 사용되는 소자를 통칭하는 나노 소자(nano-scale element, device)의 제조에 적용가능하며, 고체침지렌즈(SIL, soild immersion lens)와 같은 광학렌즈와, 이러한 광학렌즈가 구비되는 플라즈모닉 광학헤드(plasmonic optical head)(미도시)의 제조 등에도 적용가능하다.
상기 나노 소자에 적용함에 있어서는, 나노사이즈의 개구를 가지고 상기 가공대상물(10) 내부에 형성되는 금속막(상기 제2금속박막층(23)) 자체가 될 수도 있으며, 상기 나노 개구 구비 금속막이 내부에 형성된 상기 가공대상물(10)(나노 소자)이 될 수도 있다.
도 4의 (a) 내지 (d)는 본 발명의 실시예에 따른 내부에 나노 개구 구비 금속막이 형성된 소자의 제조방법을 와 같은 광학렌즈(optical lens)에 적용하여 내부에 플라즈모닉 소자를 형성하는 공정의 일실시예를 도시한 개념도이다.
고체침지렌즈에 적용하는 일실시에에서, 상기 고체침지렌즈는, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 기록매체에 인접 내지 접속되는 일측부가 단부측으로 갈수록 폭이 점차 좁아지고, 축경된 일단면이 평탄한 형상을 가진다.
상기 고체침지렌즈의 축경된 일단면상에, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 희생층 형성단계(S2), 가공표층 형성단계(S3)를 수행한 후, 도 4의 (c)에 도시된 바와 같이, 상기 베이스홈 형성단계(S4), 베이스판 형성단계(S5)를 수행하고, 도 4의 (d)에 도시된 바와 같이 상기 희생층 제거단계(S6), 나노개구 형성단계(S7)를 수행함으로써, 내부에 나노사이즈의 개구가 형성된 금속막을 가지는 고체침지렌즈를 제조할 수 있다.
상기 플라즈모닉 광학헤드(plasmonic optical head)는, 광 기록매체로 빛을 주사하여 정보의 기록, 재생 등을 수행하기 위한 장치로, 일반적으로 대물렌즈, 고체침지렌즈와 같은 광학렌즈를 구비하고 있으므로, 본 발명의 실시예에 따른 내부에 나노사이즈의 개구가 형성된 금속막을 가지는 광학렌즈를 구성요소로 채택할 수 있다.
나노사이즈의 개구가 형성된 금속막을 가지는 고체침지렌즈를 구성요소로 채택함으로써, 나노사이즈의 개구가 형성된 금속막(플라즈모닉 소자)을 이용하여 광 집속을 고효율로 구현하며 광 기록매체와의 간극을 제어하며 기록 및 재생을 구현할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것이 아니고, 상기 실시예들을 기존의 공지기술과 단순히 조합적용한 실시예와 함께 본 발명의 특허청구범위와 상세한 설명에서 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 변형하여 이용할 수 있는 기술은 본 발명의 기술범위에 당연히 포함된다고 보아야 할 것이다.
10 : 가공대상물 11 : 홈
21 : 희생층 22 : 제1금속박막층
23 : 제2금속박막층 30 : 개구
S1-1 : 베이스홈 가공속도 예측단계 S1-2 : 나노개구 가공속도 예측단계
S2 : 희생층 형성단계 S3 : 가공표층 형성단계
S4 : 베이스홈 형성단계 S5 : 베이스판 형성단계
S6 : 희생층 제거단계 S7 : 나노개구 형성단계

Claims (14)

  1. 가공대상물(10)의 표면에 희생층(21)을 형성하는 희생층 형성단계(S2);
    상기 희생층(21)에 제1금속박막층(22)을 적층형성하는 가공표층 형성단계(S3);
    상기 제1금속박막층(22)과 희생층(21)을 관통하게 집속이온빔(FIB, focused ion beam)을 조사하여, 상기 가공대상물(10)에 홈(11)을 가공하는 베이스홈 형성단계(S4);
    상기 홈(11)이 형성된 상기 가공대상물(10)의 일측부에 금속층을 재형성하여 상기 홈(11) 내부에 상기 제2금속박막층(23)을 형성하는 베이스판 형성단계(S5);
    상기 희생층(21)을 상기 가공대상물(10) 표면에서 제거하는 희생층 제거단계(S6); 및
    집속이온빔을 조사하여, 상기 가공대상물(10) 내부에 형성된 제2금속박막층(23)에 나노사이즈의 개구(nano aperture)(30) 또는 그루브(groove)를 형성하는 나노개구 형성단계(S7);
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 내부에 나노 개구 구비 금속막이 형성된 소자의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 희생층 형성단계(S2), 가공표층 형성단계(S3), 베이스판 형성단계(S5)는,
    진공상태에서 금속이나 화합물을 가열, 증발시키고 그 증기로 상기 가공대상물(10) 표면에 막을 입히는 증착에 의해 상기 희생층(21), 제1금속박막층(22), 제2금속박막층(23) 각각을 형성하는 것을 특징으로 하는 내부에 나노 개구 구비 금속막이 형성된 소자의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 베이스판 형성단계(S5)는,
    상기 제2금속박막층(23)이 형성되는 상기 가공대상물(10)의 일측부가, 상기 홈(11) 둘레에 형성된 상기 제1금속박막층(22)을 포함하는 것을 특징으로 하는 내부에 나노 개구 구비 금속막이 형성된 소자의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 희생층 제거단계(S6)는,
    용제(solvent)에 용해되는 소재로 구성된 상기 희생층(21)에 용제를 공급하면서 이루어지는 것을 특징으로 하는 내부에 나노 개구 구비 금속막이 형성된 소자의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 희생층 제거단계(S6)는,
    상기 희생층(21)을 제거하는 것에 의해, 상기 희생층(21)에 증착된 상기 제1, 2금속박막층(22, 23)을 함께 상기 가공대상물(10) 표면에서 제거하는 것을 특징으로 하는 내부에 나노 개구 구비 금속막이 형성된 소자의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 베이스홈 형성단계(S4)는,
    상기 제1금속박막층(22), 희생층(21), 가공대상물(10) 각각의 이차전자 수율(secondary electron yield)을 실시간으로 감지하면서, 이차전자 수율의 차에 의해 상기 제1금속박막층(22), 희생층(21), 가공대상물(10)간의 경계를 확인하며 이루어지는 것을 특징으로 하는 내부에 나노 개구 구비 금속막이 형성된 소자의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 베이스홈 형성단계(S4) 이전에, 집속이온빔의 조사에 의한 상기 가공대상물(10) 소재의 이차전자 수율을 실험, 측정하여, 집속이온빔의 가공변수 제어에 따른 상기 가공대상물(10)의 가공특성을 예측하는 베이스홈 가공속도 예측단계(S1-1);
    를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 내부에 나노 개구 구비 금속막이 형성된 소자의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 베이스홈 형성단계(S4)는,
    상기 베이스홈 가공속도 예측단계(S1-1)에서 예측된 상기 가공대상물(10) 소재의 가공특성을 적용하여 상기 가공대상물(10)을 가공하는 것을 특징으로 하는 내부에 나노 개구 구비 금속막이 형성된 소자의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 나노개구 형성단계(S7) 이전에, 집속이온빔의 조사에 의한 상기 제2금속박막층(23) 소재의 이차전자 수율을 실험, 측정하여, 집속이온빔의 가공변수 제어에 따른 상기 제2금속박막층(23)의 가공특성을 예측하는 나노개구 가공속도 예측단계(S1-2);
    를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 내부에 나노 개구 구비 금속막이 형성된 소자의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 나노개구 형성단계(S7)는,
    상기 나노개구 가공속도 예측단계(S1-2)에서 예측된 상기 제2금속박막층(23) 소재의 가공특성을 적용하여 상기 가공대상물(10)을 가공하는 것을 특징으로 하는 내부에 나노 개구 구비 금속막이 형성된 소자의 제조방법.
  11. 제7항 또는 제9항에 있어서, 상기 집속이온빔의 가공변수는,
    스캔방법, 가속전압, 단위면적당 이온빔전류량(ion beam current), 드웰타임(dwell time), 오버랩(overlap), 이온도즈(ion dose) 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 내부에 나노 개구 구비 금속막이 형성된 소자의 제조방법.
  12. 나노사이즈의 공정에 사용되는 나노 소자에 있어서,
    제1항에 의한 상기 내부에 나노 개구 구비 금속막이 형성된 소자의 제조방법에 의해 제조되어, 나노사이즈의 개구(aperture) 또는 그루브(groove)를 가지고 가공대상물 내부에 형성되는 금속막;
    을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 나노 소자.
  13. 고체침지렌즈(SIL, soild immersion lens)와 같은 광학렌즈에 있어서,
    제1항에 의한 상기 내부에 나노 개구 구비 금속막이 형성된 소자의 제조방법에 의해 제조되어, 내부에 나노사이즈의 개구(aperture) 또는 그루브(groove)가 형성된 금속막을 가지는 것을 특징으로 하는 광학렌즈.
  14. 플라즈모닉 광학헤드(plasmonic optical head)에 있어서,
    제1항에 의한 상기 내부에 나노 개구 구비 금속막이 형성된 소자의 제조방법에 의해 제조되어, 내부에 나노사이즈의 개구(aperture) 또는 그루브(groove)가 형성된 금속막을 가지는 광학렌즈;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 광학헤드.
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