KR101688956B1 - 감광성 유리를 이용한 엑스선 위상차 영상용 회절격자 제조방법 - Google Patents

감광성 유리를 이용한 엑스선 위상차 영상용 회절격자 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 감광성 유리를 이용한 엑스선 위상차 영상용 회절격자 제조방법을 개시한 것으로, 이러한 본 발명은 감광성 유리를 자외선 또는 레이저 빔으로 이루어진 광원으로 노광하고 열처리하여, 자외선 노광부위와 비노광 부위간의 산(Acid)을 희석한 식각액에 의한 식각률 차이로 일정 폭과 일정 깊이의 채널을 가지도록 식각하면서 격자패턴이 반복 형성되는 회절격자를 구성한 것으로, 이에따라 제조 공정이 간단하고 비용이 저렴하며, 단수 또는 복수의 회절격자 조합을 통해 한번에 위상차 영상의 크기를 제한없이 얻을 수 있도록 하는 한편, 회절격자를 이루는 감광성 유리의 채널 또는 격자패턴에 입사되는 엑스선을 회절 특성을 더욱 향상시키는 금속막 또는 산화물 막을 형성하면서, 금속막 또는 산화물 막이 형성되는 회절격자를 엑스선 위상차 영상 촬영용 제품 제작에 적용시, 그 제품 성능을 향상시킨 것이다.

Description

감광성 유리를 이용한 엑스선 위상차 영상용 회절격자 제조방법{Diffraction grating manufacture method for X-ray phase difference image that use photosensitive glass}
본 발명은 엑스선 위상차 영상 촬영용 회절격자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 감광성 유리를 자외선으로 노광하고 열처리하여 자외선 노광과 비노광 영역간의 산(Acid)을 희석한 식각액에 의한 식각률 차이로 일정 폭과 일정 깊이의 틈새를 가지는 격자패턴이 반복 형성되도록 식각하여, 반사형 또는 투과형의 회절격자를 제조할 수 있도록 하는 감광성 유리를 이용한 엑스선 위상차 영상용 회전격자 제조방법에 관한 것이다.
1998년도에 엑스선과 회절격자(Grating) 간섭계를 이용하여 위상차 영상을 얻을 수 있다는 아이디어가 제시(F. J. Clauser, Ultrahigh Resolution Interferometric X-ray Imaging, US5812629) 되었다.
엑스선 위상차 영상은 격자(grating)에 기반을 둔 위상차 영상획득 방법으로, 입사되는 X선을 빔 스플릿터를 이용하여 분리시키고 다시 합쳐서 위상차 영상을 얻는 크리스탈 간섭계(crystal interferometer)와 밀접한 관련이 있으며, 측정된 위상 파고(phase front)의 1차 미분을 통해 위상차 영상을 얻는 점에서 아날라이저 베이스 펄스 콘트라스트(analyzer based phase contrast) 기법과도 관계가 있고 닥크 필드 이미징(dark-field imaging)이 또한 가능한 것이다.
즉, 첨부된 도 1에서와 같이, 빔이 빔 스플릿터 격자(beam splitter grating)(1)(2)를 통과한 X선은 회절에 의해 여러 차수(order)로 분리되고, 분리된 빔들은 검출기(3)의 방향으로 적당히 떨어진 거리에서 탤버트(Talbot) 간섭무늬(또는 self image)가 나타나게 된다.
이때, 입사 X선 빔이 시료(4)를 통과하기 때문에 시료(4)에 의해 굴절된 영상은 탤버트 영상의 간섭무늬와 중첩되어 새로운 형태의 간섭무늬를 만들게 되며, 이 간섭무늬를 고해상도 검출기(3)로 검출하면 위상차 영상을 얻을 수 있는 것이다.
따라서, 격자에 기반을 둔 위상차 영상시스템에서는 시료(4)의 크기는 사용되는 격자(1)(2)의 크기에 의해 좌우되고, 기존의 엑스선 흡수 차이를 이용한 영상과는 확연하게 구분되는 것으로, 이에따라 엑스선 위상차 영상을 얻기 위해서는 회절격자의 사용이 필수이다.
회절격자에 엑스선이 입사되면 격자패턴들 사이에 형성되는 채널(또는 홈)에 의해 회절 현상이 생기고, 회절의 정도는 채널의 크기에 비해 파장이 길수록 더 많이 일어나며, 회절이 많이 일어날수록 위상차 영상의 품질이 높아진다.
현재 엑스선 위상차 영상을 얻는데 주로 사용되는 회절격자는 실리콘 웨이퍼에 엑스선을 리소그래피(lithography)하여, 일정 폭과 일정 깊이의 채널과 격자패턴을 반복 형성하게 되는 것으로, 상기 격자패턴은 수 마이크로미터(㎛)의 폭과 수십 마이크로미터 높이를 가지는 채널에 의해 높은 종횡비(Aspect ratio)를 가지도록 한 것이다.
상기 격자패턴은 금(Au)으로 형성시키거나, 높은 종횡비로 식각된 웨이퍼 상에 반복 형성되면서 채널 사이에 도금으로 금을 채워 넣게 되며, 금으로 이루어진 격자패턴들 사이의 틈새에서 엑스선이 통과하면서 회절을 일으키는 것이다.
이때, 상기 실리콘 웨이퍼를 가공하여 격자패턴들과 그 사이의 채널로 이루어지는 회절격자를 제작하게 되는 경우, 주로 금을 이용하였으나, 실리콘 웨이퍼 대신 다른 기판 재료와 백금(Pt), 텅스텐(W) 등 금 보다 밀도가 높은 물질을 사용하여 회절격자를 제작할 수도 있다.
그러나, 상기와 같이 제작된 회절격자의 크기는 60Ⅹ60㎜((D. Noda et al, Fabricaation of High Aspect Ratio X-ray Grating Using X-ray Lithography, Journal of Solid Mechanics and Materials Engineering 3(2009), 416-423)) 정도로서, 얻을 수 있는 영상의 크기는 회절격자의 크기와 같으므로 한 번에 얻을 수 있는 영상의 크기가 제한되는 단점이 있다.
또한, 엑스선 리소그래피와 반도체 제조공정을 이용하여야 함으로, 회절격자를 이루는 채널의 폭이 좁을수록 전체 촬영시스템의 크기가 작아지는 장점을 가지는 반면, 제작 비용이 많이 필요로 하고, 회절격자의 취급이 어려우며, 나노미터 폭의 채널을 통해 나노미터 간격으로 격자패턴을 반복 형성시켜 전체 촬영시스템의 크기가 테이블 위에 올라가는 것이 가능하게 한 경우도 있지만, 이 역시 근본적으로 제작할 수 있는 전체 회절격자의 크기 문제로 한번에 얻을 수 있는 영상의 크기가 제한적인 단점을 가지고 있었다.
공개특허공보 제 10-1999-0004380 호(공개일 1999.01.15) 등록특허공보 제 10-0589241 호(공고일 2006.06.14)
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 감광성 유리를 자외선 또는 레이저 빔으로 이루어진 광원으로 노광하고 열처리하여, 자외선 노광부위와 비노광 부위간의 산(Acid)을 희석한 식각액에 의한 식각률 차이로 일정 폭과 일정 깊이의 채널을 가지도록 식각하면서 격자패턴이 반복 형성되는 회절격자를 구성함으로써, 제조 공정이 간단하고 비용이 저렴하며, 단수 또는 복수의 회절격자 조합을 통해 한번에 위상차 영상의 크기를 제한없이 얻을 수 있도록 하는 감광성 유리를 이용한 엑스선 위상차 영상용 회전격자 제조방법을 제공함에 목적이 있는 것이다.
본 발명의 다른 목적으로는, 회절격자를 이루는 감광성 유리의 채널 또는 격자패턴에 입사되는 엑스선의 회절 특성을 더욱 향상시키는 금속막이 형성되도록 구성하여, 금속막이 형성된 회절격자를 엑스선 위상차 영상 촬영용 제품 제작에 적용시, 그 제품 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적으로는, 납 산화물 분말 또는 텅스텐 등의 금속 분말을 고분자 물질과 혼합하여 페이스트(paste)화한 혼합물을 회절격자를 이루는 감광성 유리 기판의 채널에 도포한 후 페이스트 혼합물이 도포된 회절격자를 탈포 및 경화 공정을 거쳐 회절격자의 채널 또는 격자패턴에 입사되는 엑스선을 회절 특성을 더욱 향상시키는 산화물 막이 형성되도록 구성하여, 산화물 막이 형성된 회절격자를 엑스선 위상차 영상 촬영용 제품 제작에 적용시, 그 제품 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 것이다.
상기 목적 달성을 위한 본 발명의 감광성 유리를 이용한 엑스선 위상차 영상용 회절격자 제조방법은, 감광성 유리로 광원을 조사하여 노광 처리하는 제 1 공정; 상기 제 1 공정으로부터 노광 처리된 감광성 유리 기판을 열처리하여 노광 부위와 비노광 부위의 밀도와 화학적 변화를 유도하는 제 2 공정; 상기 제 2 공정으로부터 열처리되는 감광성 유리를 산을 희석한 식각액에 투입하는 제 3 공정; 및, 상기 제 3 공정으로부터 식각액에 투입되는 감광성 유리에 초음파 또는 기계진동을 가하여, 상기 제 2 공정으로부터 밀도와 화학적 변화가 유도된 노광부위 또는 비노광 부위에 일정폭과 일정깊이로 식각되면서 입사되는 엑스선을 회절시키는 채널, 그리고 상기 채널을 사이에 두고 돌출형으로서 일정한 종횡비(Aspect Ratio)를 가지는 격자패턴을 반복 형성시키는 제 4 공정; 을 포함하여 진행하는 것이다.
또한, 상기 감광성 유리는 광원이 조사되지 않은 부분이 비정질로 남고 광원이 조사되는 부분에서 산(Acid)에 의한 식각률이 높게 나타나도록 결정화되는 비정질 감광성 유리인 것이다.
또한, 상기 감광성 유리는 광원이 조사된 부분에서 화학적으로 안정된 메타실리케이트(Metasilicate)가 생성되어 광원이 조사되지 않은 부분에 비해 산(Acid)에 의한 식각률이 낮아 식각률 차이에 의한 미세한 격자패턴 형성이 가능한 결정질 감광성 유리인 것이다.
또한, 상기 광원은 200~400㎚ 대역의 자외선인 것이다.
또한, 상기 광원은 355㎚에서도 1.06㎛파장의 적외선을 조사하는 레이저 빔인 것이다.
또한, 상기 제 1 공정은, 평행광 자외선 장치를 이용하여 200~400㎚ 범위내의 평행광 자외선 광원을 1~2㎛ 범위내의 선폭을 가지는 마스크(Mask)를 통해 감광성 유리로 입사시켜, 상기 감광성 유리를 노광시키는 공정을 더 포함하여 진행하는 것이다.
또한, 상기 제 1 공정은, 광학계간의 거리와 감광성 유리가 놓여지는 스테이지의 높이를 정밀 제어하는 상태에서, 레이저 광원으로부터 발생한 레이저 빔의 스폿(Spot) 크기 및 초점 위치를 반사거울과 집속렌즈 및 빔 익스팬더(beam expander), 그리고 대물렌즈를 통해 10㎛ 또는 그 이하의 선폭으로 조절하여 감광성 유리에 입사시키는 공정을 더 포함하여 진행하는 것이다.
또한, 상기 제 1 공정은, 레이저 광원 소스로부터 발생하는 레이저 빔을 스캐너 내부의 자동화된 광학계와 에프-세타 렌즈(F-theta Lens)를 거쳐 최저 15㎛의 선폭으로 감광성 유리에 입사시키는 공정을 더 포함하여 진행하는 것이다.
또한, 상기 격자패턴은 사각 또는 벌집 형상을 가지는 것이다.
또한, 상기 채널은 15∼20㎛ 범위내의 폭과, 100∼130㎛ 범위내의 깊이를 가지도록 구성하는 것이다.
또한, 상기 채널은 반사형으로 구성되고, 상기 채널을 반사형으로 구성시, 상기 감광성 유리의 한쪽면에는 식각액 차단부재를 도포 구성하는 것이다.
또한, 상기 식각액 차단부재는 파라핀 또는 왁스인 것이다.
또한, 상기 채널은 식각 관통형으로 구성되고, 상기 채널을 식각 관통형으로 구성시, 상기 제 1 공정으로부터 레이저 광원 소스로부터 발생한 레이저 빔의 스폿(Spot) 크기 및 초점 위치를 일정직경 또는 그 이하의 선폭으로 조절하여 일정두께를 가지는 감광성 유리를 노광하고, 상기 제 2 공정의 열처리를 통해 일정두께를 가지는 상기 감광성 유리의 제 1 면에서 제 2 면으로 노광부위와 비노광부위를 생성하며, 상기 제 3 공정을 통해 상기 감광성 유리의 제 1 면에서 제 2 면으로 일정깊이로 노광부위 또는 비노광 부위에 대한 제 1 면 또는 제 2 면 각각에서 상기 레이저 빔의 스폿 크기인 일정직경보다 확장된 폭으로 식각하여, 상기 감광성 유리의 제 1 면 또는 제 2 면에서 두께가 줄어드는 식각이 이루어져 형성하는 것이다.
또한, 상기 채널 또는 격자패턴에는 제 1 막 재료가 증착 또는 증착 후 도금 처리 방식으로 금속막을 형성하는 것이다.
또한, 상기 제 1 막 재료는 백금, 금, 텅스텐, 순수 금속, 합금 중 어느 하나인 것이다.
또한, 상기 채널과 격자패턴이 형성되는 감광성 유리에는 스퍼터링으로 유리와 금속 막 재료의 격자상수 차이에 의한 상기 제 1 막 재료의 부착력 저하를 방지시키도록 수백 나노미터의 완충층을 구성하는 것이다.
또한, 상기 완충층의 재료는 티타늄, 구리, 니켈, 크롬 중 적어도 하나 이상을 혼합 구성하는 것이다.
또한, 상기 채널 또는 격자패턴에는 제 2 막 재료가 도포가 탈포 후 열 경화 방식으로 산화물 막을 형성하는 것이다.
또한, 상기 제 2 막 재료는 납산화물 분말 또는 텅스텐 금속분말과 고분자 수지를 페이스트화하여 혼합한 페이스트 혼합물인 것이다.
또한, 상기 납산화물 분말은 1∼2um의 입자 크기를 가지고, 상기 텅스텐 금속분말은 0.1∼1um의 입자 크기를 가지는 것이다.
또한, 상기 페이스트 혼합물 100%에 대하여, 상기 납산화물 분말 또는 상기 텅스텐 금속분말과 상기 고분자 수지는 8:1의 비율로부터 1:1 비율 범위내에서 혼합 구성하는 것이다.
또한, 상기 고분자 수지는 에폭시계 수지에 아민(Amine), 이소시아네이트(Isocyanate), 산(acid), 산 무수물(acid anhydride), 아졸(Azole)계 경화제를 사용하거나, 우레탄계 고분자 수지 중 어느 하나인 것이다.
또한, 상기 회절격자는 채널에 의한 격자패턴의 높은 종횡비를 필요시, 채널과 격자패턴을 가지는 감광성 유리를 복수로 적층 구성하는 것이다.
이와 같이, 본 발명은 감광성 유리를 자외선 또는 레이저 빔으로 이루어진 광원으로 노광하고 열처리하여, 자외선 노광부위와 비노광 부위간의 산(Acid)을 희석한 식각액에 의한 식각률 차이로 일정 폭과 일정 깊이의 채널을 가지도록 식각하면서 격자패턴이 반복 형성되는 회절격자를 구성한 것이며, 이를 통해 제조 공정이 간단하고 비용이 저렴하며, 단수 또는 복수의 회절격자 조합을 통해 한번에 위상차 영상의 크기를 제한없이 얻을 수 있도록 하는 한편, 회절격자를 이루는 감광성 유리의 채널 또는 격자패턴에 입사되는 엑스선을 회절 특성을 더욱 향상시키는 금속막 또는 산화물 막을 형성하면서, 금속막 또는 산화물 막이 형성되는 회절격자를 엑스선 위상차 영상 촬영용 제품 제작에 적용시, 그 제품 성능을 향상시키는 효과를 기대할 수 있는 것이다.
도 1은 엑스선 위상차 영상 시스템에 대한 개략도.
도 2는 본 발명의 실시예로 감광 유리에 채널과 사각형 격자패턴이 형성되는 회절격자의 구조를 보인 평면 사진도면.
도 3은 본 발명의 실시예로 감광 유리에 채널과 벌집형 격자패턴이 형성되는 회절격자의 구조를 보인 평면 사진도면.
도 4는 본 발명의 실시예로 감광 유리에 채널과 격자패턴이 형성되는 회절격자의 측단면 사진도면.
도 5는 본 발명의 실시예로 감광 유리에 형성되는 격자패턴이 사각형상을 갖도록 노광한 후 관통될때까지 식각이 이루어진 상태의 사진도면.
도 6은 본 발명의 실시예로 도 5의 식각 상태에서 스퍼터링으로 완충층을 형성시킨 후 금 도금이 이루어진 상태의 사진도면.
도 7은 본 발명의 실시예로 도 6에 대한 측단면 사진도면.
도 8은 본 발명의 실시예로 채널에 금속막을 형성시킨 상태를 보인 측단면 확대 사진도면.
도 9는 본 발명의 실시예로 도 8에서 금속막이 형성된 회절격자의 채널 또는 격자패턴의 표면을 연마한 상태를 보인 평면 사진도면.
도 10은 본 발명의 실시예로 회절격자의 패널 또는 격자패턴에 페이스트화된 혼합물을 도포한 후 탈포하고 열경화시켜 산화물 막을 형성시킨 상태를 보인 측단면 사진도면.
도 11은 본 발명의 실시예로 도 10의 산화물 막을 연마한 상태를 보인 사각형 회절격자의 구조를 보인 평면 사진도면.
도 12는 본 발명의 실시예로 도 3의 회절격자에 페이스트를 주입하고 탈포하여 경화시킨 산화물 막을 연마한 상태를 보인 벌집형 회절격자의 구조를 보인 평면 사진도면.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명 기술적 사상의 실시예에 있어서 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명 기술적 사상의 실시예에 있어서 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시 예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되거나 필요한 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드 지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 장치의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 따라서, 동일한 참조 부호 또는 유사한 참조 부호들은 해당 도면에서 언급 또는 설명되지 않았더라도, 다른 도면을 참조하여 설명될 수 있다. 또한, 참조 부호가 표시되지 않았더라도, 다른 도면들을 참조하여 설명될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예로 감광 유리에 채널과 사각형 격자패턴이 형성되는 회절격자의 구조를 보인 평면 사진도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예로 감광 유리에 채널과 벌집형 격자패턴이 형성되는 회절격자의 구조를 보인 평면 사진도면이며, 도 4는 본 발명의 실시예로 감광 유리에 채널과 격자패턴이 형성되는 회절격자의 측단면 사진도면을 나타낸 것이다.
첨부된 도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 감광성 유리를 이용한 엑스선 위상차 영상용 회절격자(A)에 대한 제조는, 감광성 유리(100)로 광원을 조사하여 일정폭(D1)과 일정깊이(H1)를 가지면서 입사되는 엑스선을 회절시키는 채널(101)과 그 채널(101)을 사이에 두고 미세 구조물로서 첨부된 도 2와 같은 사각형 또는 첨부된 도 3과 같은 벌집형의 격자패턴(102)을 반복 형성하는 것으로, 이를 위해 제 1 공정으로서 감광성 유리(100)로 광원을 조사하여 노광 처리하는 것이다.
이때, 상기와 같은 제 1 공정의 노광 처리는, 도면에는 도시하지 않았지만 통상의 평행광 자외선 장치를 이용하여 200~400㎚ 범위내의 평행광 자외선을 1~2㎛ 범위내의 선폭을 가지는 마스크(Mask)를 통해 상기 감광성 유리(100)로 입사시켜, 상기 감광성 유리(100)를 노광시키는 것이다.
또는, 상기 제 1 공정의 노광 처리는, 광학계간의 거리와 감광성 유리 기판(100)이 놓여지는 스테이지의 높이를 정밀 제어하는 상태에서, 레이저 광원으로부터 발생한 레이저 빔의 스폿(Spot) 크기 및 초점 위치를 도면에는 도시하지 않았지만 통상의 반사거울과 집속렌즈 및 빔 익스팬더(beam expander), 그리고 대물렌즈를 통해 10㎛ 또는 그 이하의 선폭으로 조절하여 상기 감광성 유리(100)에 입사시켜, 상기 감광성 유리(100)를 노광시키는 것이다.
또는, 상기 제 1 공정의 노광 처리는, 레이저 광원으로부터 발생하는 레이저 빔을 도면에는 도시하지 않았지만 통상의 스캐너 내부의 자동화된 광학계와 에프-세타 렌즈(F-theta Lens)를 거쳐 최저 15㎛의 선폭으로 상기 감광성 유리(100)에 입사시켜, 상기 감광성 유리(100)를 노광시키는 것이다.
다음의 제 2 공정으로서, 상기 제 1 공정으로부터 노광 처리된 감광성 유리(100)를 통상의 열처리 장치를 통해 열처리하여 밀도와 화학적 변화가 유도되는 노광부위와 비노광부위를 생성하고, 다음의 제 3 공정으로서 열처리되는 감광성 유리(100)를 산(Acid)을 희석한 식각액이 수용되는 용기에 투입하는 것이다.
이때, 상기 감광성 유리(100)의 감광성은 통상적으로 유리의 조성 중 미량 함유된 세륨(Ce)의 특성에 크게 의존하는 것이고, 상기 세륨은 230~400nm의 자외선 대역으로서 230~260nm가 첫 번째 최고 흡수 영역이고 300~400nm 대역이 두 번째 흡수 대역으로 반응하므로, 상기 감광성 유리(100)의 흡수 대역으로서 310±25nm 범위의 자외선을 권장하는 것이 통상적이며, 전형적인 레이저 파장인 355㎚에서도 1.06㎛파장의 적외선을 극히 짧은 시간동안 조사하는 펨토초 레이저(femto second laser)의 경우에도 상기 감광성 유리(100)에서 노광 반응을 일으킬 수 있는 것이다.
따라서, 상기 감광성 유리(100)에 200~400㎚ 대역의 자외선을 노출시키면 유리의 조성 중 미량 함유된 3가 상태의 세륨(Ce3+)이 전자 하나를 잃어 4가 상태가 되는 즉, (Ce3 + → Ce4 + + e-) 반응으로 생성된 전자가 은 양이온(Ag+)과 결합하여 온전한 은 원자가 되고, 은 원자들은 서로 응집하여 클러스터(Cluster)를 형성하게 되며, 상기 열처리 공정에서 상기 클러스터들을 중심으로 밀도와 화학적 변화가 유도되는 노광부위와 비노광부위로 구분되면서, 노광부위만 밀도가 높아질 수 있는 것이다.
여기서, 상기 감광성 유리(100)가 비정질 감광성 유리인 경우, 자외선이 조사되지 않은 부분이 비정질로 남게 되며, 노광된 부위의 밀도가 높아 식각액으로 사용하는 산(Acid)과 접촉할 기회가 더 많으므로, 결과적으로 식각률 차이를 보이게 되며, 열처리를 마친 감광성 유리(100)에서 노광부위의 식각률은 비정질 부분인 비노광부위의 식각률에 비해 최대 약 20배 정도로 차이를 보이게 된다.
또한, 상기 감광성 유리(100)가 결정질인 감광성 유리인 경우, 자외선이 조사된 부분에서 화학적으로 안정된 메타실리케이트(Metalsilicate)가 생성되므로 빛을 조사하지 않은 부분에 비해 산(Acid)에 의한 식각률이 낮아 식각률 차이에 의한 미세 구조물인 격자패턴(102)의 반복 형성이 가능하게 되는 것이다.
한편, 상기 식각액을 수용한 용기에 투입된 상기 감광성 유리(100)로 초음파 또는 기계진동을 가하면, 상기 제 2 공정으로부터 생성된 노광부위 또는 비노광부위에 15∼20㎛ 범위내의 폭(D1)과, 100∼130㎛ 범위내의 깊이(H1)로 채널(101)이 식각되어 형성됨은 물론, 상기 채널(101)을 사이에 두고는 돌출형으로서 첨부된 도 2의 사각형 또는 첨부된 도 3의 벌집형으로 이루어진 격자패턴(102)이 반복 형성되면서, 광학적 저역필터로서 유용한 엑스선 위상차 영상 촬영용 회절격자(A)가 완성될 수 있는 것이다.
여기서, 상기 감광성 유리(100)의 한쪽면에는 식각액 차단부재로서 파라핀 또는 왁스를 도포하게 되며, 이에따라 상기 회절격자(A)를 이루는 감광성 유리(100)에는 상기 식각액 차단부재로 인해 한쪽면만 식각이 이루어지는 채널(101)이 형성될 수 있는 것이다.
한편, 상기 감광성 유리(100)를 이용하여 식각 관통형 회절격자(A')를 제작하고자 하는 경우, 우선 레이저 광원 소스로부터 발생한 레이저 빔의 스폿(Spot) 크기 및 초점 위치를 10㎛ 또는 그 이하의 선폭으로 조절하여 일정두께(예; 500㎛)를 가지는 감광성 유리(100)에 조사하여 노광 처리한다.
다음의 공정으로서, 상기 노광 처리된 감광성 유리(100)를 열처리하면, 일정두께를 가지는 상기 감광성 유리(100)의 제 1 면(상면)에서 제 2 면(저면)으로 노광부위와 비노광부위가 생성된다.
이때, 상기 공정에서 노광부위의 식각률은 비정질인 비노광부위의 식각률 보다 최대 20배 이상 차이가 나므로, 상기 감광성 유리(100)의 제 1 면과 제 2 면이 각각 일정깊이(예; 20㎛)로 수직 식각이 이루어질 때마다, 제 1,2 면에서는 비노광부위에 대한 부분 식각(예; 1㎛)이 발생할 수 있다.
그러면, 상기 감광성 유리(100)의 전체 두께로부터 중간지점까지의 수직 식각을 진행하는 동안, 상기 감광성 유리(100)의 제 1 면 또는 제 2 면에서는 레이저 빔의 스폿 크기인 10㎛를 중심으로 최대 반경 12.5㎛까지 확장되어 식각이 이루어지므로, 레이저 빔의 스폿 크기인 10㎛에 상기 식각 폭인 12.5㎛를 더하면 35㎛로 식각 폭을 가질 수 있는 것이다.
이때, 상기 감광성 유리(100)의 상면인 제 1 면 또는 저면인 제 2 면에서 식각 폭이 확장되면, 상기 감광성 유리(100)의 두께를 500㎛라 가정시, 상기 감광성 유리(100)의 두께는 상면인 제 1 면과 저면인 제 2 면에서 각각 12.5㎛씩 줄어들어 475㎛가 되고, 이에따라 줄어든 상기 두께(약 475㎛)를 관통된 직경(35㎛)으로 나누면(475/35) 가로세로비를 구할 수 있으며, 그 가로세로비는 1:13 정도로 나타나게 되면서, 식각되고 남은 부분으로 종횡비를 정의할 때 첨부된 도 7에서와 같이 격자패널(102)들 사이의 채널(101)에 대한 폭(D1)이 15㎛이고, 깊이(H1)가 15㎛이라 하면, 그 종횡비는 (300㎛/15㎛)에 의해 1:20 이상 가능한 첨부된 도 5와 같이 식각 관통된 회절격자(A')의 구조를 완성할 수 있는 것이다.
한편, 첨부된 도 8에서와 같이, 상기 회절격자(A,A')를 이루는 감광성 유리(100)에 형성되는 채널(101)과 격자패턴(102)에 스퍼터링으로 수백 나노미터의 완충층(buffer layer), 즉 티타늄(Ti), 구리(Cu), 니켈(Ni), 크롬(Cr) 중 적어도 하나 이상을 혼합하여 완충층을 형성시킨 상태에서, 상기 완충층이 형성되는 상기 채널(101)과 격자패턴(102)에 백금, 금, 텅스텐, 순수 금속, 합금(예; 납) 중 어느 하나로 이루어진 제 1 막 재료를 증착 또는 증착 후 도금 처리 방식으로 도포시켜 입사되는 엑스선의 회절 특성을 더욱 향상시키는 금속막(103)을 형성할 수도 있으며, 상기 금속막(103)을 형성하기 이전에 상기 완충층을 형성하는 것은 사각 또는 벌집형 부분 식각상태에서 완충층 증착 후 도금하여 회절격자(A,A')를 제작하거나 또는 완충층 증착 후 납 또는 납합금조에 침지하여 막을 형성시, 감광성 유리(100)와 금속막(103) 재료의 격자 상수 차이에 의한 상기 제 1 막 재료의 부착력 저하를 방지시키기 위함인 것이다.
이때, 상기 채널(101) 및 격자패턴(102)이 반복 형성되는 상기 감광성 유리(100)는 가열장치의 가열로부터 일정온도 이상(예; 400℃ 이상)에서 용융된 제 1 막 재료가 투입된 용기로 침지되는 것이며, 이에따라 상기 감광성 유리(100)의 채널(101)과 격자패턴(102)의 표면에는 상기 제 1 막 재료에 의한 금속막(103)이 용이하게 형성될 수 있는 것이다.
완충층 증착 후 침지시 상기 용기는 일정범위(예; 10-3torr 부터 10-5torr)내의 진공도를 가진 진공챔버인 것이다.
한편, 첨부된 도 10 내지 도 12에서와 같이, 상기 회절격자(A,A')를 이루는 감광성 유리(100)에 형성되는 채널(101)과 격자패턴(102)에는 납산화물(예; Pb0, Pb3O4) 분말 또는 텅스텐 등의 금속 분말과 고분자 수지를 페이스트화하여 혼합한 페이스트 혼합물로 이루어지는 제 2 막 재료를 도포한 후 탈포하고 열 경화 과정을 거쳐 입사되는 엑스선의 회절 특성을 더욱 향상시키는 산화물 막(104)을 형성할 수도 있는 것이다.
즉, 채널(101)과 격자패턴(102)이 형성되는 감광성 유리(100)에 제 2 막 재료인 페이스트 혼합물을 도포시킨 상태에서, 이를 일정범위(예; 10-3torr 부터 10-5torr)내의 진공도를 가진 챔버인 용기에 투입하여, 상기 제 2 막 재료를 탈포시켜, 상기 감광성 유리(100)의 채널(101)과 격자패턴(102)에 제 2 막 재료를 치밀하게 충진시켜, 상기 산화물 막(104)을 경화시키도록 하였다.
이후, 상기 채널(101)과 격자패턴(102)에 산화물 막(104)이 형성된 감광성 유리(100)의 표면을 연마기(미도시)를 통해 연마하여 제거하면, 첨부된 도 11의 사각형 또는 도 12의 벌집형과 같은 산화물 막(104)이 형성된 광학적 저역필터로서 유용한 엑스선 위상차 영상 촬영용 회절격자(A,A')가 완성될 수 있는 것이다.
여기서, 상기 납산화물 분말은 1∼2um의 입자 크기를 가지는 것이고, 텅스텐 등의 금속 분말은 0.1∼1um의 입자 크기를 가지는 것으로, 상기 페이스트 혼합물 100%에 대하여, 상기 납산화물 분말 또는 텅스턴 금속분말과 상기 고분자 수지는 8:1의 비율로부터 1:1 비율 범위내에서 혼합 구성되며, 상기 고분자 수지는 에폭시계 수지에 아민(Amine), 이소시아네이트(Isocyanate), 산(acid), 산 무수물(acid anhydride), 아졸(Azole)계 경화제를 사용하거나, 우레탄계 고분자 수지 중 어느 하나인 것이다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 회절격자(A,A')는 격자패턴(102)에 대한 높은 종횡비(Aspect Ratio), 즉, 수 마이크로미터(㎛)의 폭과 수십 마이크로미터 깊이를 가지는 채널(101)이 형성되는 격자패턴(102)을 필요로 하는 경우에는 감광성 유리(100)를 복수로 적층 구성하는 상태에서, 식각 공정을 통해 채널(101)을 형성하는 한편, 상기 채널(101)에 금속막(103) 또는 산화물 막(104)을 형성시킬 수 있는 것이다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100; 감광성 유리 101; 채널
102; 격자패턴 103; 금속막
104; 산화물 막

Claims (23)

  1. 감광성 유리로 광원을 조사하여 노광 처리하는 제 1 공정; 상기 제 1 공정으로부터 노광 처리된 감광성 유리 기판을 열처리하여 노광 부위와 비노광 부위의 밀도와 화학적 변화를 유도하는 제 2 공정; 상기 제 2 공정으로부터 열처리되는 감광성 유리를 산을 희석한 식각액에 투입하는 제 3 공정; 및, 상기 제 3 공정으로부터 식각액에 투입되는 감광성 유리에 초음파 또는 기계진동을 가하여, 상기 제 2 공정으로부터 밀도와 화학적 변화가 유도된 노광부위 또는 비노광 부위에 일정폭과 일정깊이로 식각되면서 입사되는 엑스선을 회절시키는 채널, 그리고 상기 채널을 사이에 두고 돌출형으로서 일정한 종횡비(Aspect Ratio)를 가지는 격자패턴을 반복 형성시키는 제 4 공정; 을 포함하여 진행하며,
    상기 제 3 공정에는 상기 제 4 공정으로부터 반복 형성되는 상기 채널이 반사형으로 구성되도록 열처리된 감광성 유리의 한쪽면에 파라핀 또는 왁스로 이루어진 식각액 차단부재를 도포하는 공정; 을 더 포함하여 진행하고,
    상기 제 4 공정에서 반복 형성되는 상기 채널 또는 격자패턴에는 백금, 금, 텅스텐, 순수 금속, 합금 중 어느 하나인 제 1 막 재료를 증착 또는 증착 후 도금 처리 방식으로 금속막을 형성하되,
    상기 채널과 격자패턴이 형성되는 감광성 유리에는 스퍼터링으로 상기 감광성 유리와 상기 제 1 막 재료의 격자상수 차이에 의해 상기 감광성 유리와 상기 금속막의 부착력 저하를 방지시키도록 티타늄, 구리, 니켈, 크롬 중 적어도 하나 이상이 혼합 구성되는 수백 나노미터의 완충층을 증착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 감광성 유리를 이용한 엑스선 위상차 영상용 회절격자 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 감광성 유리는 광원이 조사되지 않은 부분이 비정질로 남고 광원이 조사되는 부분에서 산(Acid)에 의한 식각률이 높게 나타나도록 결정화되는 비정질 감광성 유리인 것을 특징으로 하는 감광성 유리를 이용한 엑스선 위상차 영상용 회절격자 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 감광성 유리는 광원이 조사된 부분에서 화학적으로 안정된 메타실리케이트(Metasilicate)가 생성되어 광원이 조사되지 않은 부분에 비해 산(Acid)에 의한 식각률이 낮아 식각률 차이에 의한 미세한 격자패턴 형성이 가능한 결정질 감광성 유리인 것을 특징으로 하는 감광성 유리를 이용한 엑스선 위상차 영상용 회절격자 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 광원은 200~400㎚ 대역의 자외선인 것을 특징으로 하는 감광성 유리를 이용한 엑스선 위상차 영상용 회절격자 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 광원은 355㎚에서도 1.06㎛파장의 적외선을 조사하는 레이저 빔인 것을 특징으로 하는 감광성 유리를 이용한 엑스선 위상차 영상용 회절격자 제조방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 공정은, 평행광 자외선 장치를 이용하여 200~400㎚ 범위내의 평행광 자외선 광원을 1~2㎛ 범위내의 선폭을 가지는 마스크(Mask)를 통해 감광성 유리로 입사시켜, 상기 감광성 유리를 노광시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 감광성 유리를 이용한 엑스선 위상차 영상용 회절격자 제조방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 공정은, 광학계간의 거리와 감광성 유리가 놓여지는 스테이지의 높이를 정밀 제어하는 상태에서, 레이저 광원으로부터 발생한 레이저 빔의 스폿(Spot) 크기 및 초점 위치를 반사거울과 집속렌즈 및 빔 익스팬더(beam expander), 그리고 대물렌즈를 통해 10㎛ 또는 그 이하의 선폭으로 조절하여 감광성 유리에 입사시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 감광성 유리를 이용한 엑스선 위상차 영상용 회절격자 제조방법.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 공정은, 레이저 광원 소스로부터 발생하는 레이저 빔을 스캐너 내부의 자동화된 광학계와 에프-세타 렌즈(F-theta Lens)를 거쳐 최저 15㎛의 선폭으로 감광성 유리에 입사시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 감광성 유리를 이용한 엑스선 위상차 영상용 회절격자 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 격자패턴은 사각 또는 벌집 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 감광성 유리를 이용한 엑스선 위상차 영상용 회절격자 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 채널은 15∼20㎛ 범위내의 폭과, 100∼130㎛ 범위내의 깊이를 가지도록 구성하는 것을 특징으로 하는 감광성 유리를 이용한 엑스선 위상차 영상용 회절격자 제조방법.
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  18. 감광성 유리로 광원을 조사하여 노광 처리하는 제 1 공정; 상기 제 1 공정으로부터 노광 처리된 감광성 유리 기판을 열처리하여 노광 부위와 비노광 부위의 밀도와 화학적 변화를 유도하는 제 2 공정; 상기 제 2 공정으로부터 열처리되는 감광성 유리를 산을 희석한 식각액에 투입하는 제 3 공정; 및, 상기 제 3 공정으로부터 식각액에 투입되는 감광성 유리에 초음파 또는 기계진동을 가하여, 상기 제 2 공정으로부터 밀도와 화학적 변화가 유도된 노광부위 또는 비노광 부위에 일정폭과 일정깊이로 식각되면서 입사되는 엑스선을 회절시키는 채널, 그리고 상기 채널을 사이에 두고 돌출형으로서 일정한 종횡비(Aspect Ratio)를 가지는 격자패턴을 반복 형성시키는 제 4 공정; 을 포함하여 진행하며,
    상기 제 3 공정에는 상기 제 4 공정으로부터 반복 형성되는 상기 채널이 반사형으로 구성되도록 열처리된 감광성 유리의 한쪽면에 파라핀 또는 왁스로 이루어진 식각액 차단부재를 도포하는 공정; 을 더 포함하여 진행하고,
    상기 제 4 공정으로부터 반복 형성되는 상기 채널 또는 격자패턴에는 납산화물 분말 또는 텅스텐 금속분말과 고분자 수지를 페이스트화하여 혼합한 페이스트 혼합물인 제 2 막 재료를 도포하고 탈포시킨 후 열 경화를 통해 산화물 막을 형성하는 것을 특징으로 하는 감광성 유리를 이용한 엑스선 위상차 영상용 회절격자 제조방법.
  19. 삭제
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 납산화물 분말은 1∼2um의 입자 크기를 가지고, 상기 텅스텐 금속분말은 0.1∼1um의 입자 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 감광성 유리를 이용한 엑스선 위상차 영상용 회절격자 제조방법.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 페이스트 혼합물 100%에 대하여, 상기 납산화물 분말 또는 상기 텅스텐 금속분말과 상기 고분자 수지는 8:1의 비율로부터 1:1 비율 범위내에서 혼합 구성하는 것을 특징으로 하는 감광성 유리를 이용한 엑스선 위상차 영상용 회절격자 제조방법.
  22. 제 18 항에 있어서,
    상기 고분자 수지는 에폭시계 수지에 아민(Amine), 이소시아네이트(Isocyanate), 산(acid), 산 무수물(acid anhydride), 아졸(Azole)계 경화제를 사용하거나, 우레탄계 고분자 수지 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 감광성 유리를 이용한 엑스선 위상차 영상용 회절격자 제조방법.
  23. 삭제
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