KR102456440B1 - 레이저 직접노광법과 후면 자동초점조절을 이용한 3d회절광학소자 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 직접노광법과 후면 자동초점조절을 이용한 3D회절광학소자 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판에 감광막이 코팅된 시편에서, 상기 감광막에 레이저 빔을 조사하여 회절광학소자를 제조하기 위한 장치에 있어서, 특정폭을 갖는 레이저 빔을 발생시키는 레이저발생부와, 상기 레이저 빔을 투과시켜 상기 감광막으로 상기 레이저 빔을 조사하는 노광렌즈를 갖는 레이저 노광장치; 본체와, 상기 본체 상부에 구비되며 상기 시편이 장착되는 마운트를 갖는 시편고정지그; 및 상기 마운트 하부, 상기 본체 내에 설치되고 상기 레이저 노광장치의 광축 상에 위치되며, 상기 감광막의 바닥면 위치정보를 측정하는 변위센서와, 상기 변위센서에서 측정된 위치정보를 기반으로 상기 레이저 노광장치의 초점을 조절하는 제어부를 갖는 후면자동초점시스템;을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 직접노광법과 후면 자동초점조절을 이용한 3D회절광학소자 제조장치에 관한 것이다.

Description

레이저 직접노광법과 후면 자동초점조절을 이용한 3D회절광학소자 제조장치 {System for fabricating 3D diffractive optical element on curved surfaces using direct laser lithography}

본 발명은 레이저 직접노광법과 후면 자동초점조절을 이용한 3D회절광학소자 제조장치 및 제조방법에 대한 것이다.

종래 미세패턴을 제작하는 방법으로서 포토 리소그래피 방식, 이온식 방식, 레이저 노광방식 등이 존재한다. 여기서 이온빔 방식은 이온빔의 선폭이 좁기 때문에 더욱 미세한 선폭을 가진 미세패턴을 제조할 수 있어 첨단 제품이나, 고집적도의 반도체를 제조할 때 사용된다. 그리고, 레이저 노광방식은 레이저에 의해 물성이 변환되는 감광막을 기판에 코팅한 후 레이저 광을 주사시켜 식각, 에칭공정을 거쳐 미세패턴을 형성하게 된다.

도 1 내지 도 4는 종래 레이저 노광법을 설명하기 위한 것으로, 도 1은 감광막(2)이 코팅된 기판(1)의 단면도, 도 2는 감광막(2)에 레이저 노광장치(10)에 의해 레이저 빔이 조사되는 상태의 단면도, 도 3은 레이저 빔이 조사된 부분에 산화막(3)이 생성된 상태의 단면도, 도 4는 감광막(2)을 에칭한 상태의 단면도를 도시한 것이다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 레이저 노광장치를 이용하여 레이저 빔을 감광막(2)으로 조사하게 되고, 이때, 레이저 빔의 광량은 약 10 ~ 15mW정도가 되며, 코팅된 감광막의 두께는 약 70nm ~ 150nm정도가 된다. 이러한 광량의 레이저 빔이 감광막에 조사되면, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 감광막의 특정깊이만큼과 조사된 위치에서 특정높이만큼 산화막(3)이 형성되게 된다.

레이저 빔을 조사하여 산화막(3)을 형성시킨 후 이러한 산화막(3)은 에칭액에 보호액이 되어, 에칭액으로 감광막을 제거하게 되면, 도 4에 도시된 바와 같이, 상부로 돌출된 패턴을 생성시킬 수 있게 된다. 레이저 노광장치를 이동수단을 통해 이동시키면서 레이저 빔을 조사한 후, 에칭하게 되는 경우 레이저 빔이 조사된 특정부분만이 돌출되어 다양한 형태의 미세패턴을 생성할 수 있게 된다.

그러나 이러한 종래 레이저 노광법은 평면 노광만 가능하며, 입체면(곡면, 이울어진 면, 자유곡면 등) 위에 패턴을 노광하여 3D 회절광학소자를 제작하려면, 포커싱이 제대로 되지 않는 문제가 발생한다.

즉, 평면 회절광학소자는 종래의 방법으로 가능하나, 입체적인 3D 회절광학소자의 제작은 종래 레이저 노광법에 의해 불가능한 단점이 존재한다.

대한민국 공개특허 제2016-0095681호 대한민국 제1369854호 대한민국 제1344028호

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 레이저 노광장치의 광축상에 후면 자동초점시스템을 설치하여, 실시간으로 시편의 감광막 바닥면의 형상 위치정보를 측정하여 레이저 노광장치의 Z축 상의 위치를 제어하여, 노광 렌즈의 초점이 전체 작업 영역에 걸쳐 초점 깊이 범위 내에서 유지되어 곡면 시편에서도 미세 패턴의 선폭을 일정한 품질로 유지할 수 있는, 레이저 직접노광법과 후면 자동초점조절을 이용한 3D회절광학소자 제조장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 목적은, 기판에 감광막이 코팅된 시편에서, 상기 감광막에 레이저 빔을 조사하여 회절광학소자를 제조하기 위한 장치에 있어서, 특정폭을 갖는 레이저 빔을 발생시키는 레이저발생부와, 상기 레이저 빔을 투과시켜 상기 감광막으로 상기 레이저 빔을 조사하는 노광렌즈를 갖는 레이저 노광장치; 본체와, 상기 본체 상부에 구비되며 상기 시편이 장착되는 마운트를 갖는 시편고정지그; 및 상기 마운트 하부, 상기 본체 내에 설치되고 상기 레이저 노광장치의 광축 상에 위치되며, 상기 감광막의 바닥면 위치정보를 측정하는 변위센서와, 상기 변위센서에서 측정된 위치정보를 기반으로 상기 레이저 노광장치의 초점을 조절하는 제어부를 갖는 후면자동초점시스템;을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 직접노광법과 후면 자동초점조절을 이용한 3D회절광학소자 제조장치로서 달성될 수 있다.

그리고 상기 시편은 경사면 또는 곡면으로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 레이저 노광장치를 광축인 Z축상으로 구동시키는 초점조절구동부와, 상기 초점조절구동부와 연동되어 상기 후면자동초점시스템을 Z축상으로 이동시키는 구동스테이지를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 제어부는 상기 위치정보를 기반으로 상기 초점조절구동부 또는 상기 구동스테이지의 구동을 제어하여 상기 레이저빔의 초점을 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 제어부는, 상기 레이저 노광장치를 상기 Z축과 수직인 평면방향으로 이동시키는 이동수단 및 상기 시편이 고정된 마운트를 상기 평면방향으로 구동시키는 지그스테이지 중 적어도 어느 하나의 구동을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 레이저 직접노광법과 후면 자동초점조절을 이용한 3D회절광학소자 제조장치에 따르면, 레이저 노광장치의 광축상에 후면 자동초점시스템을 설치하여, 실시간으로 시편의 감광막 바닥면의 형상 위치정보를 측정하여 레이저 노광장치의 Z축 상의 위치를 제어하여, 노광 렌즈의 초점이 전체 작업 영역에 걸쳐 초점 깊이 범위 내에서 유지되어 곡면 시편에서도 미세 패턴의 선폭을 일정한 품질로 유지할 수 있는 효과를 갖는다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 감광막이 코팅된 기판의 단면도,
도 2는 감광막에 레이저 노광장치에 의해 레이저 빔이 조사되는 상태의 단면도,
도 3은 레이저 빔이 조사된 부분에 산화막이 생성된 상태의 단면도,
도 4는 감광막을 에칭한 상태의 단면도,
도 5는 회절광학소자의 수학적 모델링 개념,
도 6a는 감광막인 코팅된 기판에 레이저 노광장치에 의해 레이저가 조사되는 상태를 나타낸 구성도,
도 6b는 산화막이 생성되는 경우, 노광포인트가 아닌 오토 포커싱(auto focusing)을 적용한 상태의 개념도,
도 6c는 곡면 위에 패턴을 제작할 때에 인근점을 포커싱하여 노광빔의 초점을 제대로 맺게 할 수 없음을 나타낸 개념도,
도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 직접노광법과 후면 자동초점조절을 이용한 3D회절광학소자 제조장치의 측단면도,
도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 직접노광법과 후면 자동초점조절을 이용한 3D회절광학소자 제조장치의 사진,
도 7c는 감광막의 상부표면(검은색)과 바닥면(파란색)의 측정 그래프,
도 7d는 측정 값의 차이 그래프,
도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 자동초점시스템의 구성도,
도 8b는 안정성 그래프,
도 8c는 writing 속도 테스트 결과,
도 9a는 본 발명의 실시예에 따른 자동초점시스템의 비교 검증을 위한 헤테로다인 레이저 간섭계 측정시스템의 구성도,
도 9b는 장거리 변위 테스트,
도 10은 5도 기울어 진 시편에 제작된 패턴 결과로서, 도 10a는 시스템에 세팅된 기울어진 시편, 도 10b는 자동 초점 시스템이 없는 경우에 제작된 패턴과, 1축 프로파일, 도 10c는 본 발명의 실시예에 따른 자동 초점 시스템으로 제작된 패턴과 1 축 프로파일,
도 11은 원통형 렌즈 표면에 제작된 패턴 결과로서, 도 11a는 라인 패턴,도 11b는 1 축 프로파일, 도 11c는 원형 패턴의 2D 이미지, 도 11d는 도 11c의 3D 이미지,
도 12는 볼록 렌즈 표면에 제작된 패턴 결과를 나타낸 것으로, 도 12a는 라인 패턴의 2D이미지, 도 12b는 도 12a의 3D 이미지, 도 12c는 원형 패턴의 2D이미지, 도 12d는 도 12c의 3D 이미지,
도 13은 시뮬레이션과 실험 결과의 비교로서, 시뮬레이션 결과로 13a는 초점, 13b는 디포커스(defocus) 및 회절 이미지, 실험결과 로서, 도 13c는 초점, 도 13d는 디 포커스를 나타낸 것이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 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 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

복잡한 광학 시스템을 단순화하려면 굴절 요소와 회절 요소를 결합한 차세대 광학이 필수적이다. 이러한 차세대 광학 장치를 제작하려면 노광 렌즈(lithographic lens)의 초점을 곡면에 포커싱하는 것이 중요하다. 초점을 일정하게 유지하는 것은 레이저 공정뿐 아니라 측정 및 계측 시스템에서도 어려운 문제이다.

본 발명의 실시예에서는 레니저 직접노광법를 이용하여 곡면 회절광학소자(DOE)에 필요한 패턴을 보다 쉽게 제작할 수 있도록, 동축 초점 현미경 타입 변위 센서를 갖는 후면 자동초점시스템을 적용하였다. 실험 결과 후면 자동초점시스템을 이용하여 원통, 볼록 렌즈 등의 곡면에 5um의 일정한 선폭을 1um의 위치 오차로 제작할 수 있음을 확인 하였다. 곡면에 제작된 회절 패턴은 광학 성능을 분석하고 수학적 모델링과 비교하였다.

현재 반도체, 디스플레이 등 다양한 분야에서 광 소자 기반 집적 회로 소자의 사용이 증가함에 따라 이들 소자의 정밀한 제조가 요구되고 있다. 제품 성능을 향상시키기 위해 수차를 보정하고 복잡한 기능을 수행할 수 있는 다양한 기능을 가진 광학 장치를 개발하기 위한 상당한 연구가 진행되었다.

이들 중에는 기존의 굴절 광학 소자와 회절 광학 소자가 결합된 하이브리드 광학 소자가 있다. 비평면 표면에 미세 패턴을 제조하는 것은 수년 동안 연구되었지만 여전히 어려움이 있었다.

최근에는 소프트 리소그래피와 직접 레이저 라이팅 리소그래피가 하이브리드 광학 장치를 생산하기 위해 곡면에 패턴을 제조하는 방법으로 사용되었다. 소프트 리소그래피에는 패턴 디자인의 소프트 마스크가 필요하다. 대량 생산에는 사용하기 쉽지만 다양한 형태의 패턴이나 패턴을 넓은 영역에서 제작하기가 어려운 단점이 존재한다. 이러한 한계를 극복하기 위해 고배율 노광 렌즈와 정밀 스테이지를 이용한 레이저 직접 노광 방식은 낮은 공정 비용으로 넓은 면적에 패턴을 생성할 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 직접 레이저 직접노광법과 후면 자동초점시스템을 사용하여 곡면에 패터닝하기 위한 방법에 대해 설명하도록 한다.

종래 자동초절조절장치를 통해서는 곡면에서 수 마이크로 미터 패턴의 선폭을 일정한 품질로 유지하는 것은 어렵다. 노광 렌즈의 초점은 전체 작업 영역에 걸쳐 초점 깊이 범위 내에서 유지되어야 선폭이 일정한 패턴을 생성 할 수 있다. 본 발명의 실시예에서 설명하는 후면 자동초점시스템은 변위센서와 액추에이터의 신호를 사용하여 z 축에서 100mm의 구동 범위로 곡면에 레이저 직접노광을 수행 할 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 변위 센서와 액추에이터를 사용하여 쉽고 간단하게 자동 초점을 조절할 수 있는 방법을 제안하고 검증하였다. 후에 설명되는 바와 같이, 표면의 변화에 따라 이동하면서 초점 거리가 일정하게 유지되어 곡면에 일정한 선폭으로 5㎛의 선폭 패턴이 생성되었다. 노광 렌즈의 위치는 표면의 변화에 따라 실시간으로 측정되며, 초점 거리는 움직이는 동안 일정하게 유지된다. 그 결과 곡면에 선폭이 5㎛로 일정한 패턴을 제작할 수 있음을 확인하였다.

먼저, 3D 회절광학소자의 파동전파이론(Wave propagation theory )에 대해 설명하도록 한다. 도 5는 회절광학소자의 수학적 모델링 개념을 나타낸 것이다.

곡면에 회절광학소자의 패턴을 제작하면 입사광이 굴절과 회절이 동시에 이루어지게 된다. 입사된 평행광은 렌즈에 의해 굴절되고 굴절된 광은 패턴에 의해 회절되는 과정의 수학적 모델링은 다음 수학식 1로 표현된다.

[수학식 1]

상기 수학식 1에서, 여기서 U₁은 입사되는 투과 함수이고 δ는 Dirac-delta 함수, P는 렌즈에 의해 굴절되는 함수, M은 제작되는 회절 마스크 패턴의 함수이다. 정의된 함수를 사용하여 Fraunhofer 회절 이론에 의해 최종 회절 이미지를 얻기 위해 수학적 모델링을 수행하게 된다..

도 6a는 감광막인 코팅된 기판에 레이저 노광장치에 의해 레이저가 조사되는 상태를 나타낸 구성도, 도 6b는 산화막이 생성되는 경우, 노광포인트가 아닌 오토 포커싱(auto focusing)을 적용한 상태의 개념도이고, 도 6c는 곡면 위에 패턴을 제작할 때에 인근점을 포커싱하여 노광빔의 초점을 제대로 맺게 할 수 없음을 나타낸 개념도를 도시한 것이다.

종래 자동초점조절장치(5)는 레이저를 광원으로 사용하여 초점 거리를 측정하고 노광된 위치에 가까운 위치를 측정한다. 이러한 오프셋은 노광에 사용되는 레이저가 시편에 초점을 맞추면 즉시 크롬 산화막이 형성되어 정확한 측정을 방해하기 때문에 필요하다. 즉, 평면 상에서 노광할 때 노광 빔을 표면에 정확하게 초점을 맺게(focusing) 하기 위해 autofocusing(자동초점조절) 장치(5)를 사용한다.

즉, 종래 자동초점조절장치를 갖는 레이저 노광장치(10)는 특정폭을 갖는 레이저 빔을 발생시키는 레이저발생부(11)와, 레이저 빔을 투과시켜 감광막(2)으로 레이저 빔을 조사하는 노광렌즈(21)를 갖는 레이저 노광장치(10) 내에 별도의 자동초점조절장치(5)를 갖고, 검출을 위한 별도의 레이저를 조사하여 광검출기에 의해 검출되도록 구성된다.

그러나 이 장치는 노광이 되는 포인트를 바로 측정할 수 없다(노광 포인트에서는 크롬 산화막 발생 및 산란 등으로 인해 정확한 거리 측정 불가). 따라서 도 6b에 도시된 바와 같이 노광 포인트가 아닌 인근점에 autofocusing을 적용하게 된다. 이러한 방법은 평평한 표면에서는 문제가 되지 않는다.

그러나 도 6c에 도시된 바와 같이 초점 거리 측정에 사용되는 위치와 곡면의 레이저 라이팅(writing) 위치가 다르면 큰 오차 요인이 발생한다. 즉, 곡면 위에 패턴을 제작할 때는 도 6c와 같이 인근점을 focusing하면 노광 빔의 초점을 제대로 맺게 할 수 없음을 알 수 있다.

이를 극복하기 위해 본 발명의 실시예에서는 노광 위치와 측정 위치가 동일한 광축에 있도록 시스템을 개선하였다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 직접노광법과 후면 자동초점조절을 이용한 3D회절광학소자 제조장치(100)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다.

도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 직접노광법과 후면 자동초점조절을 이용한 3D회절광학소자 제조장치의 측단면도를 도시한 것이다. 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 직접노광법과 후면 자동초점조절을 이용한 3D회절광학소자 제조장치의 사진을 나타낸 것이다. 도 7c는 감광막(크롬)의 실제 형상인 상부표면(검은색)과 후면 자동초점시스템에 의해 측정된 바닥면(파란색)의 측정 그래프, 도 7d는 측정 값의 차이를 나타낸 것이다.

도 7a에 도시된 바와 같이, 크롬인 감광막(2)의 상부 표면에 레이저 노광장치(10)를 통해 레이저를 주사하고, 감광막(2)의 바닥면은 후면 자동초점시스템(40)의 측정 위치가 됨을 알 수 있다.

이하의 수학식 2에 따라 직접 레이저 노광장치에 사용되는 고배율 렌즈로 인해 초점 깊이가 매우 짧음을 알 수 있다.

[수학식 2]

여기서 λ는 레이저의 파장이다.

앞서 언급한 바와 같이, 넓은 면적에 미세 패턴을 제작하거나 비평면 기판에 패턴을 제작하려면 초점 거리를 일정하게 유지하는 것이 중요하다.

본 발명의 실시예에 따른 후면 자동초점시스템(40)은 변위 센서(41)를 적용하여 초점 거리를 실시간으로 일정하게 유지할 수 있도록 구성된다.

본 발명의 실시예에 따른 레이저 직접노광법과 후면 자동초점조절을 이용한 3D회절광학소자 제조장치(100)는, 곡면, 경사면, 원통형 등과 같이 평편이 아닌 시편(4)에 대해 초점거리를 실시간으로 일정하게 유지하며 레이저를 노광시켜, 3D 회절광학소자를 제조할 수 있도록 구성된다.

본 발명의 실시예에 따른 레이저 직접노광법과 후면 자동초점조절을 이용한 3D회절광학소자 제조장치(100)는 전체적으로 도 7a에 도시된 바와 같이, 레이저 노광장치(10)와, 시편고정지그(30), 후면자동초점시스템(40) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

레이저 노광장치(10)는 특정폭을 갖는 레이저 빔을 발생시키는 레이저발생부(11)와, 레이저 빔을 투과시켜 감광막(2)으로 레이저 빔을 조사하는 노광렌즈(12)가 내장되는 노광헤드(20)를 포함하여 구성된다.

그리고 시편고정지그(30)는 본체(31)와, 이러한 본체(31) 상부에 구비되며 시편(4)이 장착되는 마운트(32)를 포함하며, 시편(4)이 고정된 마운트(32)를 평면방향(X-Y방향)으로 구동시키는 지그스테이지(33)를 포함하여 구성될 수 있다.

그리고 본 발명의 실시예에 따른 3D회절광학소자 제조장치(100)는 종래와 같이 레이저 노광장치에 자동초점조절장치가 구비되는 것이 아닌, 별도로, 레이저 노광장치(10)의 광축 상에 위치되는 후면 자동초점시스템(40)을 구비한다.

이러한 후면 자동초점시스템(40)은 도 7a에 도시된 바와 같이, 마운트(32) 하부, 본체(31) 내에 설치되고 레이저 노광장치(10)의 광축 상에 위치됨을 알 수 있다. 그리고, 변위센서(41)는 감광막(2)의 실시간으로 바닥면 위치정보를 측정하도록 구성된다. 또한 제어부(50)는 변위센서(41)에서 측정된 위치정보를 기반으로 레이저 노광장치(10)의 초점을 조절하도록 구성된다.

또한, 레이저 노광장치(10)를 광축인 Z축상으로 구동시키는 초점조절구동부(22)를 포함하며, 후면자동초점시스템(40)을 Z축상으로 이동시키는 구동스테이지(42)는, 이러한 초점조절구동부(22)와 연동되어 구동되게 된다.

그리고 분석수단(43)은 변위센서(41)에서 실시간으로 측정한 위치정보를 기반으로 노광빔을 정확하게 포커싱할 수 있는 레이저 노광장치(10)의 Z축상 위치데이터를 생성하고, 제어부(50)는 초점조절구동부(22) 또는 구동스테이지(42)의 구동을 제어하여 레이저빔의 초점을 조절하게 된다.

또한, 이동수단은 레이저 노광장치(10)를 Z축과 수직인 평면방향(X-Y방향)으로 이동시키도록 구성될 수 있다. 따라서 제어부(50)는, 이동수단 및 시편(4)이 고정된 마운트를 상기 평면방향으로 구동시키는 지그스테이지(33) 중 적어도 어느 하나의 구동을 제어하여 초점을 일정하게 유지시키면서 감광막(2)에 원하는 패턴을 생성할 수 있도록 한다.

본 발명의 실시예에 사용된 곡면 시편(4)의 곡률 반경은 77.5mm, 높이 차는 1.5mm이다. 실제 표면 형상의 측정 결과와 자동 초점 시스템(40)의 측정값은 도 7c에 도시된 바와 같다, 도 7c에서 보는 바와 같이 검은색 선은 크롬 층의 상면을 측정 한 결과이고, 청색선은 크롬층의 바닥면을 측정한 결과이다. 측정 결과, 8 도의 경사면에 대한 상대 위치 값이 거의 일정 함을 확인할 수 있다.

측정 값의 차이는 도 7d에서 확인할 수 있다. 원본 데이터로 측정시 정렬 문제로 파란색 선이 기울어 져 있음을 확인하였으며, 기울어 진 값을 제거하고 데이터를 분홍색 선으로 표시하였다. 가장자리 근처에 PV 20um의 오차 값이 있지만 후면자동초점시스템(40)에서 측정된 상단의 프로파일 포인트와 하단 표면의 포인트가 동일하지 않았기 때문에 발생한 것으로 보인다. 평균 차이는 1.5um로 확인되었다.

도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 후면자동초점시스템의 구성도를 도시한 것이며, 도 8b는 안정성 그래프, 도 8c는 라이팅(writing) 속도 테스트 결과를 나타낸 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 후면자동초점시스템(40)의 성능은 8c와 같이 시편을 고정한 상태에서 스테이지의 속도를 1μm/s에서 5μm/s로 변경하여 분석했다. 시스템은 2.5mm/s이하에서 1μm 이하의 오차를 나타내어 허용 오차 범위 내에서 작동 함을 확인했다.

또한, 그림 9a는 본 발명의 실시예에 따른 후면 자동초점시스템(40)의 비교 검증을 위한 헤테로다인 레이저 간섭계 측정시스템의 구성도이고, 도 9b는 장거리 변위 테스트를 나타낸 것이다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 후면자동초점시스템(40)의 성능을 보다 정확하게 비교하고 확인하기 위해 Renishaw의 XL-80 헤테로다인 레이저 간섭계(분해능 1nm)를 사용하여 비교 확인을 수행했다.

시편(4)을 100um 간격으로 100mm 이동하면서 시스템이 장거리에서 작동할 수 있는지 여부를 결정하는 데 사용되었다. 위치 값을 10 회 반복 측정하여 PV 500nm 이하의 오차 값을 얻었다. 500㎚는 이 시스템의 초점 깊이 이내의 값으로 안정적인 장거리 자동 초점 시스템 공정 조건임을 확인했다.

그런 다음 안정적인 공정을 사용하여 경사면과 곡면에 제작된 패턴으로 실험을 수행했다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 패턴 제작 결과에 대해 설명하도록 한다. 도 10은 5도 기울어 진 시편에 제작된 패턴 결과로서 10a는 시스템에 세팅된 기울어진 시편을 나타낸 것이고, 도 10b는 자동 초점 시스템이 없는 경우에 제작된 패턴, 도 10c는 자동 초점 시스템이 없는 경우에 제작된 패턴의 1축 프로파일, 도 10d는 본 발명의 실시예에 따른 자동 초점 시스템으로 제작된 패턴, 도 10e는 1 축 프로파일을 나타낸 것이다.

패턴 제작 중 직접 레이저 노광 시스템의 공정 조건은 3um/s의 속도와 15mW의 레이저 강도였다. 이 공정 조건은 자동 초점 시스템과 함께 사용하기에 적합하며 최소 5um의 선폭을 안정적으로 제작할 수 있다. 속도가 느려도 안정적인 자동 초점 시스템을 사용할 수 있지만 선폭은 더 넓다.

그리고 도 10a에 도시된 바와 같이, 검증된 본 발명의 실시예에 따른 자동 초점 시스템을 사용하여 경사진 표면에 패턴을 제작하였음을 알 수 있다. 도 10b 및 d에 도시된 바와 같이, 자동 초점 시스템을 적용하지 않았을 때 패턴을 제작 한 결과를 보여 주며, 깨진 패턴을 관찰 할 수 있음을 알 수 있다. 반면, 도 10c 및 e에 도시된 바와 같이, 자동 초점 시스템을 작동했을 때 깨끗한 패턴을 제작할수 있음을 알 수 있다. 패턴은 위에서 설명한 후면 자동초점시스템(40) 프로세스 조건과 레이저 프로세스 조건을 사용하여 제작되었다.

본 발명의 실시예에 따른 레이저 직접노광시스템(100)은, 노광 렌즈(21)의 위치를 실시간으로 측정하고 일정한 초점 거리를 유지하는 후면 자동초점시스템(40)과 레이저 직접노광장치(10)를 결합하여 구성된다.

본 발명의 실시예에 따른 레이저 직접노광 시스템(100)의 안정적인 공정 조건을 사용하여 곡률 반경이 77.5mm 인 볼록 렌즈와 실린더 렌즈 표면에 5μm 패턴을 제작했다. 도 11과 도 12는 백색광 간섭계로 측정 한 결과를 보여준다.

도 11은 원통형 렌즈 표면에 제작된 패턴 결과로서, 도 11a는 라인 패턴,도 11b는 1 축 프로파일, 도 11c는 원형 패턴의 2D 이미지, 도 11d는 도 11c의 3D 이미지를 나타낸 것이다.

도 12는 볼록 렌즈 표면에 제작된 패턴 결과를 나타낸 것으로, 도 12a는 라인 패턴의 2D이미지, 도 12b는 도 12a의 3D 이미지, 도 12c는 원형 패턴의 2D이미지, 도 12d는 도 12c의 3D 이미지를 나타낸 것이다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 광학회절소자의 광학 이미징 성능을 설명하도록 한다. 도 13은 시뮬레이션과 실험 결과의 비교로서, 시뮬레이션 결과로 13a는 초점, 13b는 디포커스(defocus) 및 회절 이미지, 실험결과 로서, 도 13c는 초점, 도 13d는 디 포커스를 나타낸 것이다.

렌즈에 제작된 패턴에 He-Ne 레이저를 조사하여 화면에서 회절 및 굴절된 패턴을 확인했다. 제작된 시편의 회절 패턴은 초점 거리 150mm의 렌즈에서 제작되었으므로 초점 위치 150mm의 결과와 디 포커스 위치 50mm의 결과를 확인 하였다.

도 13a와 도 13b는 계산에서 얻은 시뮬레이션 결과를 보여주고, 도 13c와 도 13d는 실험 결과를 보여준다. 표시된 부분은 광학 시스템의 내부 반사에 의해 생성 된 회절 빔의 0차 빔이다. 빔이 초점 위치에 집중됨에 따라 방사형 회절 패턴이 확인되고, 디 포커스 위치에서 디 포커스된 이미지에서 회절 패턴이 확인되었다. 생성된 패턴은 유사한 경향을 통해 검증되었다.

본 발명의 실시예에서는 자동 초점 시스템을 사용하여 레이저 직접노광으로 경사진 표면과 곡면에 패턴을 제작했다. 자동 초점 시스템은 상용 동축 공 초점 현미경 변위 센서를 사용하여 직접 레이저 리소그래피 시스템에 쉽고 간단하게 적용될 수 있음을 확인하였다.

자동 초점 시스템은 3um/s의 writng 속도에서 1um 이내의 위치 오류가 있었는데, 이는 허용 가능한 수준이며, 선폭은 5um이고 오류는 약 1 %였다. 또한 헤테로 다인 레이저 간섭계로 안정성을 테스트하고 정확한 오차를 비교 및 검증했다. 본 발명의 실시예에 따른 자동초점시스템을 이용하여 곡률 75mm의 원통형 렌즈와 경사진 시편에 레이저 직접노광법을 이용하여 패턴을 제작하고, 안정적인 선폭 5um의 패턴이 백색광 스캐닝 간섭계를 사용하여 제작되었다. 이러한 자동 초점 시스템을 사용하면 레이저 직접노광법으로 저렴한 비용과 넓은 면적으로 다양한 곡면에 패턴을 제작할 수 있음을 알 수 있다.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

1:기판
2:감광막
3:산화막
4:시편
5:자동초점조절장치
10:레이저 노광장치
11:레이저 발생부
20:노광헤드
21:노광렌즈
22:초점조절구동부
30:시편고정지그
31:본체
32:마운트
33:지그스테이지
40:후면자동초점시스템
41:변위센서
42:구동스테이지
43:분석수단
50:제어부
100:레이저 직접노광법과 후면 자동초점조절을 이용한 3D회절광학소자 제조장치

Claims (5)

1. 기판에 감광막이 코팅된 시편에서, 상기 감광막에 레이저 빔을 노광하여 회절광학소자를 제조하기 위한 장치에 있어서,
   특정폭을 갖는 레이저 빔을 발생시키는 레이저발생부와, 상기 레이저 빔을 투과시켜 상기 감광막으로 상기 레이저 빔을 조사하는 노광렌즈를 갖는 레이저 노광장치;
   본체와, 상기 본체 상부에 구비되어 상기 시편이 장착되는 마운트를 갖는 시편고정지그;
   상기 마운트 하부, 상기 본체 내에 설치되고 상기 레이저 노광장치의 광축 상에 위치되며, 상기 감광막의 바닥면 위치정보를 측정하는 변위센서와, 상기 변위센서에서 측정된 위치정보를 기반으로 상기 레이저 노광장치의 초점을 조절하는 제어부를 갖는 후면자동초점시스템; 및
   상기 레이저 노광장치를 광축인 Z축상으로 구동시키는 초점조절구동부와, 상기 초점조절구동부와 연동되어 상기 후면자동초점시스템을 Z축상으로 이동시키는 구동스테이지;를 포함하고,
   상기 제어부는,
   상기 위치정보를 기반으로 상기 초점조절구동부 또는 상기 구동스테이지의 구동을 제어하여 상기 레이저빔의 초점을 조절하며, 상기 레이저 노광장치를 상기 Z축과 수직인 평면방향으로 이동시키는 이동수단 및 상기 시편이 고정된 마운트를 상기 평면방향으로 구동시키는 지그스테이지 중 적어도 어느 하나의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 직접노광법과 후면 자동초점조절을 이용한 3D회절광학소자 제조장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 시편은 경사면 또는 곡면으로 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 직접노광법과 후면 자동초점조절을 이용한 3D회절광학소자 제조장치.
   
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제

Images