KR20030032751A - 이중접합 에스아이엘(ｄｓｉｌ)과 이를 이용한 근접장광학 시스템 - Google Patents

이중접합 에스아이엘(ｄｓｉｌ)과 이를 이용한 근접장광학 시스템 Download PDF

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이준희
이상태
이성훈
이구열
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명은 집광 렌즈와 에스아이엘(SIL, Solid Immersion Lens)을 접합하여 렌즈 정렬오차를 없애고 회절한계를 극복하여 초고분해능을 갖는 이중접합 에스아이엘(DSIL)과 이를 이용한 근접장 광학 시스템에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 이중접합 에스아이엘(SIL)(DSIL, DOUBLE SOLID IMMERSION LENS)은, 외부에 초점을 갖는, 제 1입사면을 통하여 외부로부터 빛을 입사하여 그 내부에서 제 1굴절시키고, 제 1출사면을 통하여 상기 제 1굴절된 빛을 상기 초점에 모으는 제 1렌즈와, 상기 볼록 렌즈의 제 1출사면에 접합되어 상기 제 1출사면으로부터 출사되는 제 1굴절된 빛을 입사하는 제 2입사면과, 상기 제 2입사면을 통하여 입사된 제 1굴절된 빛을 제 2굴절시키고, 상기 볼록 렌즈의 초점거리에 제 2출사면을 갖는 제 2렌즈를
포함하여 실시함으로써, 정렬 및 조립이 쉽고 정렬 허용 공차가 비교적 클 뿐만 아니라 회절한계를 극복할 수 있다.

Description

이중접합 에스아이엘(ＤＳＩＬ)과 이를 이용한 근접장 광학 시스템{DOUBLE SOLID IMMERSION LENS AND NEAR FIELD OPTICAL SYSTEM USING THE SAME}
본 발명은 근접장 광학 시스템에 관한 것으로서, 특히 집광 렌즈와 에스아이엘(SIL, Solid Immersion Lens)을 접합하여 렌즈 정렬오차를 없애고 회절한계를 극복하여 초고분해능을 갖는 이중접합 에스아이엘 (DSIL)과 이를 이용한 근접장 광학 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 집광 렌즈에 의하여 집광되는 빛점(light spot)의 크기는, 현미경 분야에서는 분해능을 결정하는 인자, 반도체 노광장비 분야에서는 선폭을 결정하는 인자 및 기록매체 및 기록/재생 장치 분야에서는 저장밀도를 결정하는 인자와 깊은 관계에 있다. 곧, 광학 시스템이 생성하는 빛점의 크기가 작을 수록, 상기 광학 시스템은 높은 성능을 갖는다. 예를 들어, 기록/재생장치가, 작은 빛점을 이용하여, 기록매체에 소정의 데이터를 저장할 때, 그 빛점의 크기가 작을 수록 많은 데이터를 기록할 수 있다.
따라서, 광학 시스템을 제작하는 제작자는 빛점의 크기를 줄이려고 노력하지만, 광학 렌즈에 의하여 발생되는 빛의 회절현상과 상기 과학렌즈가 갖는 회절한계 때문에, 상기 빛점의 크기를 일정한 크기 이하로 줄일 수 없다. 여기서, 빛점의크기는, 빛의 파장, 렌즈에 의한 빛수렴각, 입사빔의 직경 및 매질의 굴절률에 따라 달라진다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 물질표면 가까이에서 물질표면과 빛 사이에 관계로부터 근접장 기술이 생기게 되었고, 상기 근접장 기술은 광학 렌즈의 회절한계를 극복할 수 있게 하였다.
도 1(A)는 종래 기술에 따른 에스아이엘 (SIL, Solid Immersion Lens)를 이용한 근접장 광학 시스템(Near Field Optical System)을 나타낸 구성도이고, 도 1(B)은 도 1(A)에 의하여 생성되는 근접장 광을 설명하기 위한 구성도로서, 외부의 광원으로부터 출력된 평행한 빛을 입사하여 굴절시키는 집광 렌즈(10)와, 상기 집광 렌즈(10)로부터 굴절된 빛을 입사하여 피측정물(30), 예를 들어 기록매체에 투사하는 에스아이엘 (SIL, Solid Immersion Lens; 20)을 포함한다.
상기 집광 렌즈(10)는 상기 SIL(20)의 평면 바닥부 중심(21)에 그 초점이 일치되게 정렬되기 때문에, 상기 집광 렌즈(10)에 입사한 평행빛이, 상기 집광 렌즈 (10)에서 굴절된 다음에 상기 SIL(20) 내부로 입사되면, 상기 SIL(20)은 그 평면 바닥 중심(21)에 소정의 크기의 빛점을 형성한다.
여기서, 상기 SIL(20)의 평면 바닥 중심에 형성되는 빛점 크기(d)는, 잘 알려진 다음 식 1에 표현된 바와 같이 표현된다.
여기서, d는 빛점의 직경을 나타내고, a는 광원의 파장을 나타내고, n은 상기 SIL의 굴절률을 나타내며, b는 상기 1차 집광 렌즈에 의한 빛의 수렴각을 나타낸다. 또한, sin b 는 상기 SIL의 개구수(numeric aperture)를 나타낸다.
예를 들어, SIL(20)의 굴절률(n)이 2.2이고, 집광 렌즈의 소정의 수렴각(b)에 의하여 상기 SIL의 개구수(sin a)가 0.7이며, 623 nm의 광원을 사용할 경우, 상기 SIL에 의하여 생성되는 빛점의 크기(d)는 246nm 가 된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 SIL(20)가 상기 기록매체(30) 표면 쪽으로 10 ~100nm 정도까지 근접되면, 상기 기록매체의 표면과 상기 SIL 사이에 근접장 현상이 발생되기 때문에, 상기 SIL 내부에 집광된 광 에너지 중에서 일부의 광에너지가, 근접장 광에너지 형태로, 상기 기록매체의 표면으로 전파되고, 그에 따라 상기와 같이 구성된 종래 기술에 따른 SIL을 이용한 근접장 광학 시스템은, 상기 기록매체(30)에 데이터를 기록한다. 곧, 상기 SIL(20)로부터 출력된 광에너지가 상기 기록매체(30)의 약 200nm 정도 크기의 영역을 가열하여 용융함으로써, 그 부분에 상변화를 일으키고, 그에 따라 상기 상변화된 영역은 데이터를 포함하게 된다.
상기와 같은 방식으로 기록매체에 기록된 데이터는, 상기 SIL 을 이용한 근접장 광학 시스템이, 상기 SIL를 통하여 상기 기록매체에 상기 데이터를 기록할 때보다는 낮은 세기의 빛을 입사하고, 상기 기록매체 표면으로부터 반사된 다음에 다시 상기 SIL을 통하여 나오는 빛의 세기를 검출함으로써, 재생된다.
그러나, 종래 기술에 따른 SIL 이용한 근접장 광학 시스템은, 광학 렌즈들이조립되기 위하여 정렬될 때 발생되는 정렬 오차를 포함하고, 그로 인하여 수차가 발생하는 문제점을 가지고 있다.
도 2는 종래 기술에 따른 SIL을 이용한 광학 시스템에서 발생되는 정렬 오차를 설명하기 위한 구성도이다.
상기 정렬오차는, 상기 집광 렌즈(10) 그 자체가 기울어지는 틸트(tilt) 원인과, 상기 집광 렌즈의 초점거리가 상기 SIL의 평면 바닥 중심에 놓이지 않는 원인(defocus)과, 상기 집광 렌즈의 초점과 상기 SIL 의 중심이 일치하지 않아서 발생되는 디센터 원인(decenter) 때문에 발생된다.
상기 정렬 오차는, 빛이 한 점에 모이지 않는 수차를 생성한다. 상기 수차는, 상기 SIL의 개구수 또는 굴절률의 크기에 비례하여 커진다.
그러나, 상기 종래 기술에 따른 SIL 을 이용한 근접장 광학 시스템은, 빛점을 작게하기 위하여, 개구수와 집광 렌즈의 굴절률이 큰 SIL을 이용해야 하기 때문에, 정렬오차와 그에 따라 발생되는 수차를 필연적으로 동반하는 문제점을 갖는다. 또한, 상기 종래 기술에 따른 근접장 광학 시스템는, 정렬오차를 줄이기 위하여, 광학 헤드부의 집광 렌즈와 SIL 을 정밀하게 조립해야만 하기 때문에, 그 제작이 어려운 문제점 가지고 있다. 따라서, 상기 종래 기술에 따른 SIL 을 이용한 근접장 광학 시스템은, 낮은 집광성능을 갖는다.
본 발명의 주목적은 집광 렌즈와 SIL을 접합(integrated)하여 정렬오차와 수차를 줄인 이중접합 에스아이엘(SIL)(DSIL)과 이를 이용한 근접장 광학 시스템을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적은 공기 패드와 자화코일을 포함하고 집광 렌즈와 SIL을 접합하여 정렬오차와 수차를 줄인 이중접합 에스아이엘(SIL)(DSIL)과 이를 이용한 근접장 광학 시스템을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 평행빛을 입사하는 집광 렌즈의 출사면과 상기 출사면으로부터 출사되는 빛을 입사하는 SIL의 입사면이 접합되어, 상기 집광 렌즈와 상기 SIL이 하나의 광학 모듈로 형성되는 DSIL과 이를 이용하여 정렬오차와 수차가 없이 빛을 처리할 수 있는 근접장 광학 시스템을 제공하는 데에 있다.
이를 위하여,본 발명에 따른 이중접합 에스아이엘(SIL)(DSIL, DOUBLE SOLID IMMERSION LENS)은, 외부에 초점을 갖는, 제 1입사면을 통하여 외부로부터 빛을 입사하여 그 내부에서 제 1굴절시키고, 제 1출사면을 통하여 상기 제 1굴절된 빛을 상기 초점에 모으는 제 1렌즈와, 상기 볼록 렌즈의 제 1출사면에 접합되어 상기 제 1출사면으로부터 출사되는 제 1굴절된 빛을 입사하는 제 2입사면과, 상기 제 2입사면을 통하여 입사된 제 1굴절된 빛을 제 2굴절시키고, 상기 볼록 렌즈의 초점거리에 제 2출사면을 갖는 제 2렌즈를 포함하여 실시함으로써 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 DSIL을 이용한 근접장 광학 시스템은, 시스템 전체를 제어하는 제어부와, 외부로부터 빛을 입사하여 소정의 피측물에 근접장 광에너지를 출력하는 이중접합 에스아이엘 (SIL)(DSIL,Double Solid Immersion Lens)과, 상기 DSIL을 고정하는 광학 헤드부와 상기 광학 헤드부와 상기 피측물과 그 사이에 거리를조절하는 가변구동부와, 상기 광학 헤드부를 고정하는 서스펜션과, 상기 서스펜션을 지지하는 지지부를 포함하여 실시함으로써 달성될 수 있다.
도 1(A)는 종래 기술에 따른 에스아이엘 (SIL, Solid Immersion Lens)을 이용한 근접장 광학 시스템(Near Field Optical System)을 나타낸 구성도이다.
도 1(B)는 도 1(A)에 의하여 생성되는 근접장 광을 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 SIL을 이용한 광학 시스템에서 발생되는 정렬 오차를 설명하기 위한 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 이중접합 에스아이엘 (DSIL, Double Solid Immersion Lens)의 제 1실시예를 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 DSIL의 제 1실시예의 동작 원리를 설명하기 위한 구성도이다.
도 5(A)와 도 5(B)는 본 발명에 따른 DSIL을 이용한 근접장 광학 시스템의 제 1실시예이다.
도 6(A)은 본 발명의 따른 DSIL을 이용한 근접장 광학 시스템의 광학 헤드부의 제 1실시예를 나타낸 구성도이다.
도 6(B)은 본 발명의 따른 DSIL을 이용한 근접장 광학 시스템의 광학 헤드부의 제 2실시예를 나타낸 구성도이다.
도 7은 본 발명의 따른 광학 헤드부의 슬라이더의 제 1실시예를 나타낸 구성도이다.
도 8은 본 발명에 따른 광학헤드부의 슬라이더의 제 2실시예를 나타낸 구성도이다.
도 9는 본 발명의 따른 광학 헤드부의 자화 코일의 제 1실시예를 나타낸 구성도이다.
도 10은 본 발명에 따른 광학 헤드부의 자화 코일의 제 2실시예를 나타낸 구성도이다.
도 11은 본 발명에 따른 DSIL을 이용한 근접장 광학 시스템의 빛공급부의 제 1실시예를 나타낸 구성도이다.
도 12는 본 발명에 따른 DSIL을 이용한 근접장 광학 시스템의 빛공급부의 제 2실시예를 나타낸 구성도이다.
도 13은 본 발명에 따른 DSIL을 이용한 근접장 광학 시스템의 빛공급부의 제 3실시예를 나타낸 구성도이다.
도 14는 본 발명에 따른 DSIL을 이용한 근접장 광학 시스템의 제 2실시예로서, DSIL을 이용한 광학 현미경을 나타낸 구성도이다.
도 15는 본 발명에 따른 DSIL을 이용한 근접장 광학 시스템의 제 3실시예로서, DSIL을 이용한 리소그라피 장치를 나타낸 구성도이다.
도 16은 본 발명에 따른, DSIL의 모양 결정 요소들의 변화에 따라 제작된,DSIL을 나타낸 제 1구조도이다.
도 17(A)은 도 16에 도시된 DSIL의 길이방향 구면수차 곡선이고, 도 17(B)은 도 16에 도시된 DSIL의 수차곡선이며, 도 17(C)은 도 16에 도시된 DSIL의 왜곡수차 곡선이다.
도 18은 본 발명에 따른, DSIL의 모양 결정 요소들의 변화에 따라 제작된, DSIL을 나타낸 제 2구조도이다.
도 19(A)는 도 18에 도시된 DSIL의 길이방향 구면수차 곡선이고, 도 19(B)는 도 18에 도시된 DSIL의 수차 곡선이며, 도 19(C)는 도 18에 도시된 DSIL의 왜곡수차 곡선이다.
도 20은 본 발명에 따른, DSIL의 모양 결정 요소들의 변화에 따라 제작된, DSIL을 나타낸 제 3구조도이다.
도 21(A)은 도 20에 도시된 DSIL의 길이방향 구면수차 곡선이고, 도 21(B)은 도 20에 도시된 DSIL의 수차 곡선이며, 도 21(C)은 도 20에 도시된 DSIL의 왜곡수차 곡선이다.
도 22는 본 발명에 따른, DSIL의 모양 결정 요소들의 변화에 따라 제작된, DSIL을 나타낸 제 4구조도이다.
도 23(A)은 도 22에 도시된 DSIL의 길이방향 구면적 곡선이고, 도 23(B)은 도 22에 도시된 DSIL의 수차곡선이며, 도 23(C)은 도 22에 도시된 DSIL의 왜곡곡선이다.
*** 도면의 주요 부호에 대한 설명 ***
10, 101:집광 렌즈
20, 102: 에스아이엘(SIL, Solid Immersion Lens)
30, 200, 703: 피측물 또는 기록매체
31, 201: 상변화부100: 광학 헤드부 (100A, 100B)
100A: 광학 모듈 또는 이중접합 에스아이엘(DSIL)(101, 102)
100B, 501: 슬라이더103-1, 103-2: 공기 패드
105: 압전구동소자
106, 602: 렌즈 지그107: 거리 검출기
108: 안내부
109: 보이스 코일 모터 (voice coil motor)
110-1, 110-2: 자화코일300: 회전축
301, 502: 서스펜션(suspension)302: 지지부
400, 500, 700, 800: 광원
600: 광원 및 광검출기
401: 광섬유402: 광섬유 연결자
503: 거울504: 로드 암
601: 고정부
701: 광검출기702: 반투과 거울
704, 802: 평면 변위 구동부801: 반도체 웨이퍼
801-1: 포토레지스터 층 (photoregister layer)
801-2: 기판
도 3은 본 발명에 따른 이중접합 에스아이엘(SIL) (DSIL, Double Solid Immersion Lens)의 제 1실시예를 나타낸 구성이다.
도시된 바와 같이, DSIL(100A)는, 외부 광원으로부터 평행한 빛을 입사하는 비구면의 제 1입사면과 상기 입사빛을 출사하는 비구면의 제 1출사면을 갖는 집광 렌즈(101)와, 개구수를 크게 하기 위하여, 상기 집광 렌즈(101)의 제 1출사면과 접합되고, 상기 제 1출사면으로부터 출사되는 빛을 입사하는 비구면의 제 2입사면과 상기 제 2입사면으로부터 입사한 빛을 출사하는 평면의 제 2출사면을 갖는 SIL(102)을 포함한다. 곧, 상기 집광 렌즈(101)의 초점이 상기 SIL(102)의 평면의 바닥면에 맺히도록, 상기 집광 렌즈(101)의 제 1출사면과 상기 SIL(102)의 제 2입사면이 서로 접합됨으로써, 하나의 광학 모듈이 제조된다. 따라서, 상기 제 1입사면과 제 1출사면 또는 제 2입사면은 수차를 거의 발생하지 않는다.
여기서, 상기 집광 렌즈(101)는 굴절률이 n1이고 그 두께가 T1 이고 제 1입사면의 곡률반경은 R1 이며 제 1출사면의 곡률반경은 R2이다. 또한, 상기 SIL(102)는 굴절률이 n2이고 그 두께가 T2이며 제 2입사면의 곡률반경은, 상기 집광 렌즈 (101)의 제 1출사면의 반경과 같이, R2이다.
한편, 상기 DSIL(100A)의 지름은 d지만, 평행빛을 입사하는 상기 집광 렌즈 (101)의 유효구경은, 도시된 바와 같이, 제 1입사면이 형성된 부분에 따라, d1이고, 상기 SIL(102)의 유효구경은, 제 1출사면 또는 제 2입사면이 형성된 부분에 따라, d2가 된다.
도 4는 본 발명에 따른 DSIL의 제 1실시예의 동작 원리를 설명하기 위한 구성도로서, 평행빛을 입사하여 그 내부에서 굴절시키고 그 굴절된 빛이 그 평면의 바닥면에 집광시키는 DSIL의 바닥면은, 피측물 또는 기록매체(200)의 표면에 근접된다. 곧, 상기 바닥면과 상기 기록매체의 표면 사이의 거리가 약 100nm 이하이면, 그 사이에서 근접장 효과가 일어나기 때문에, 상기 DSIL(100A)은 상기 기록매체 (200)에 근접장 광에너지를 전파한다.
상기와 같이, 상기 기록매체에 전파된 상기 근접장 광에너지는 상기 기록매체에 소정부분 (201)을 가열하여 상변화를 일으킨다. 여기서, 상기 근접장 광에너지가 상변화를 일으키는 부분의 크기는, 빛점이 형성될 때 발생하는 회절한계가 극복되기 때문에, 상기 빛점의 크기 (수백 nm 차원)보다 더 작다.
따라서, 상기 기록매체는, 상기 근접장 광에너지에 의하여 상변화를 일으킨 부분과 그렇지 않은 부분을 포함함으로써, 데이터를 기록한다.
한편, 상기와 같은 방식으로 상기 기록매체에 기록된 데이터는, 상기 DSIL로부터 재생되기 위한 빛이 상기 기록매체에 입사된 다음에, 상기 데이터에 해당하는 부분으로부터 입사빛과 상대적으로 작은 세기의 빛이 반사됨으로써, 재생된다.
도 5(A)와 도 5(B)는 본발명에 따른 DSIL을 이용한 근접장 광학 시스템의 제 1실시예로서, DSIL을 이용한 기록/재생 장치를 나타낸 구성도의 단면도와 평면도이다.
도시된 바와 같이, 기록/재생 장치는, 제어부(나타내지 않음)와, 소정의 파장의 빛을 공급하는 빛공급부(나타내지 않음)와, 기록매체를 회전시키는 회전축 (300)과, 상기 기록매체에 데이터를 기록하고 재생하기 위한 광학 헤드부(100)와, 상기 기록매체 위에서 상기 광학 헤드부(100)를 이동시키는 서스펜션(301)과, 상기 서스펜션(301)를 지지하는 지지부(302)를 포함한다.
상기 광학 헤드부(100)를 도면과 함께 좀 더 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 6(A)는 본 발명의 따른 DSIL의 광학 헤드부의 제 1실시예를 나타낸 구성도로서, 평행빛을 입사하는 DSIL(100A)과, 상기 DSIL을 고정시키는 렌즈 지그(Lens Jig)(106)와, 평행한 빛을 입사하는 쪽의 상기 렌즈 지그(106)의 끝에 부착되어, 외부로부터 공급되는 전압에 따라, 그 길이가 변화되는 압전구동소자 (105)와, 기록매체 쪽의 상기 렌즈 지그 (106)의 끝에 부착되어 상기 DSIL과 상기 기록매체 사이의 거리를 검출하는 거리 검출기(107)를 포함한다.
여기서, 상기 거리 검출기(107)는, 정전용량에 의하여 그 거리의 변화를 검출하는 정전용량 검출기를 이용한다.
도 6(B)는 본발명의 따른 DSIL의 광학 헤드부의 제 2실시예를 나타낸 구성도로서, 평행빛을 입사하는 DSIL(100A)과, 상기 DSIL(100A)을 고정시키는 렌즈 지그 (106)와, 평행한 빛을 입사하는 쪽의 상기 렌즈 지그(106)의 끝에 부착되어, 외부에서 공급되는 전류에 따라, 그 길이가 변화되는 보이스 코일 모터 (voice coil motor, 109)와, 기록매체 쪽의 상기 렌즈 지그 (106)의 끝에 부착되어 상기 DSIL과상기 기록매체 사이의 거리를 검출하는 거리 검출기(107)와, 직선운동하는 상기 보이스 코일 모터를 움직임을 안내하는 안내부(108)를 포함한다.
여기서, 상기 보이스 코일 모터(109)는, 자기장 내에 배열된 전선에 전류가 흐름에 따라 상기 전선에 힘이 가해지고, 그 가해진 힘에 의하여 상기 DSIL과 상기 기록매체 사이의 거리를 조절한다.
또한, 상기 거리 검출기(107)는, 정전용량에 의하여 그 거리의 변화를 검출하는 정전용량 검출기를 이용한다.
이때, 상기 DSIL과 피측정물 또는 기록매체(200) 사이의 간격은, 도 6(A)에 도시된 바와 같이, 압전구동소자(105) 또는 도 6(B)에 도시된 바와 같이, 보이스 코일 모터(109)가 상기 DSIL을 정밀하게 이동시키고, 상기 거리 검출기 (107)가 상기 DSIL의 이동을 검출함으로써, 수십 nm 내에서 유지된다.
한편, 상기 광학 헤드부(100)는, 본발명에 따른 DSIL (100A)과 상기 기록매체(200)가 고속으로 회전할 때, 상기 기록매체로부터 발생하는 공기압에 의하여, 상기 광학 헤드부(100)가 상기 기록매체(200)의 표면으로부터 공중에 뜨게 하고, 이때 상기 광학 헤드부와 상기 기록매체의 표면 사이의 거리가 수십 nm의 간격을 유지하게 하는 슬라이더(100B)를 포함한다.
상기 광학 헤드부(100)가 부착되는 슬라이더(100B)를 좀 더 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 7은 본 발명의 따른 광학 헤드부의 슬라이더의 제 1실시예를 나타낸 구성도이다.
평행빛을 입사하는 DSIL(100A)과, 상기 DSIL의 아래면에 부착되고 상기 DSIL이 기록매체(200) 위에서 뜬 상태를 유지하게 하는 공기 패드 (103-1)와, 상기 DSIL과 상기 공기 패드를 고정하는 슬라이더(100B)를 포함한다.
도 8은 본 발명에 따른 광학헤드부의 슬라이더의 제 2실시예를 나타낸 구성도이다.
도시된 바와 같이, 상기 제 2실시예는, 도 6의 광학 헤드부를 변경함으로써, DSIL 내부에 공기 패드(103-2)를 포함한다. 곧, 상기 공기 패드를 포함하는 DSIL은, DSIL(100A), 특히, SIL(102)의 밑면을 가공하여 공기 패드 (103-2)를 부착하고 상기 부착된 공기 패드(103-2)가 슬라이더로서 작용하게 한다.
따라서, 도 7과 도 8에 도시된 광학 헤드부와 상기 공기 패드를 포함하는 DSIL을 이용한 광학 헤드부는, 상기 기록매체가 회전함에 따라 발생되는 공기압에 의하여 상기 기록매체 (200) 위에서 상기 DSIL이 소정의 간격을 유지하면서 데이터를 기록하고 재생한다. 곧, 상기 광학 헤드부가 부착된 슬라이더는, 상기 기록매체가 회전함에 따라 발생되는 공기압에 의하여 상기 기록매체 위에서, 상기 DSIL과 상기 기록매체 사이의 간격이 자동적으로 수십 nm 정도로 뜬 상태가 유지된다. 이때, 상기 DSIL로 입사되는 평행빛은 회절한계를 극복한 근접장 광에너지 형태의 빛점으로 변환되고, 상기 빛접은, 상기 기록매체의 표면에 상을 변화시켜 데이터를 기록하거나 상변화에 해당하는 데이터를 재생하는 전기신호를 생성한다.
도 9는 본 발명의 따른 광학 헤드부의 자화 코일의 제 1실시예를 나타낸 구성도로서, 광자기 기록매체에 데이터를 저장하기 위하여, DSIL의 밑면에 부착되는원형 자화코일(110-1)과, 서스펜션(301) 끝에 상기 원형 자화코일(110-1)이 부착된 DSIL을 장착하기 위한 슬라이더를 포함한다.
여기서, 상기와 같이 구성된 광학 헤드부의 원형 자화코일(110-1)은, 상기 광자기 기록매체의 자화 방향을 변화시킨다. 이때 입사되는 근접장 광에너지에 의해 광장기 기록매체의 자화 방향이 다르게 기록되게 되어, 소정의 데이터를 기록한다.
도 10은 본 발명에 따른 광학 헤드부의 자화 코일의 제 2실시예를 나타낸 구성도로서, 상기 제 2실시예는, 도 9의 광학 헤드부를 변경함으로써, DSIL 내부에 자화 코일 (110-2)를 포함한다.
한편, 본 발명에 따른 DSIL을 이용한 근접장 광학 시스템의 제 1실시예로서, 상기 기록/재생 장치의 상기 광학 헤드부의 DSIL에 빛을 공급하는 빛공급부에 대하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 11는 본 발명에 따른 근접장 광 시스템의 빛공급부의 제 1실시예를 나타낸 구성도로서, 소정의 파장의 빛을 평행하게 출력하는 레이저와 같은 광원(400)과, 상기 광원(400)으로부터 출력되는 빛을 전달하는 광섬유(401)와, 상기 광섬유 (401)를 상기 광학 헤드부에 연결하기 위한 연결자(402)를 포함한다.
상기 광학 헤드부는, 광섬유 연결자(402)에 의하여 상기 광섬유가 연결되어 빛을 공급받고, 상기 광섬유와 상기 광섬유 연결자가 가볍기 때문에, 상기 광학 헤드부 자체의 무게를 가볍게 할 수 있다.
도 12는 본 발명에 따른 근접장 광 시스템의 빛공급부의 제 2실시예를 나타낸 구성도로서, 소정의 파장의 빛을 생성하여 평행하게 출력하는 레이저와 같은 광원(500)과, 상기 광원(500)으로부터 출력된 빛을 입사하여 광학 헤드부의 DSIL에 반사하는 거울(503)과, 거울을 소정의 지점에 고정하는 로드암(load arm) (501)을 포함한다.
여기서, 상기 광학 헤드부는 서스펜션(502)을 통하여 슬라이더(504)에 장착되고, 상기 거울(503)은, 상기 광원(500)으로부터 출력되는 평행한 빛을 반사시켜 상기 광학 헤드부의 DSIL에 입사할 수 있도록, 상기 로드암(504)의 소정의 위치에 부착된다.
따라서, 상기와 같이 구성된 광학 헤드부는, 그 자체에 광원 공급부가 부착되지 않기 때문에, 그 무게가 가볍다.
도 13은 본 발명에 따른 DSIL을 이용한 근접장 광학 시스템의 빛공급부의 제 3실시예를 나타낸 구성도로서, 레이저 다이오드(600)와 같은 광원과, 포토 다이오드(600)와 같은 광검출기와, DSIL의 지그(602)와, 상기 지그(602)에 상기 광원을 고정하는 고정부(601)를 포함한다.
상기와 같이 구성된 DSIL을 이용한 근접장 광학 시스템의 빛공급부의 제 3실시예는, 외부 광원으로부터 출력되는 빛을 상기 DSIL에 공급하기 위하여 여러 주변소자들을 포함하지 않고, 그 자체에 광원이 조립됨으로써, 본발명에 따른 근접장 광학 시스템이 간단하게 구현된다.
도 14는 본 발명에 따른 DSIL을 이용한 근접장 광학시스템의 제 2실시예로서, DSIL을 이용한 광학 현미경을 나타낸 구성도이다.
도시된 바와 같이, 제어부(나타내지 않음)와, 소정의 파장의 빛을 생성하여 평행하게 출력하는 레이저와 같은 광원(700)과, 상기 광원으로부터 출력되는 평행빛을 입사하여 피측물(703)에 비추는 DSIL (100A)과, 상기 광원(700)과 상기 DSIL(100A) 사이에 위치하여, 상기 DSIL(100A)로부터 상기 피측물로부터 반사된 빛을 반투과 시키는 반투과 거울(702)과, 상기 반투과 거울(702)로부터 출력되는 빛을 검출하는 광검출기 (701)와, 입사하는 빛에 대하여 수직방향으로 상기 피측물 (703)을 이동시키는 평면 변위 구동부(704)를 포함한다.
여기서, 상기 광검출기(702)는 50%의 반투과율을 갖는다.
상기와 같이 구성된 광학 현미경은, DSIL을 이용하여 회절한계를 극복할 수 있기 때문에, 높은 분해능을 갖는다. 따라서, 상기 광학 현미경은 피측물의 정밀한 표면 정보를 제공할 수 있다.
도 15는 본 발명에 따른 DSIL을 이용한 근접장 광학시스템의 제 3실시예로서, DSIL을 이용한 리소그라피 장치를 나타낸 구성도이다.
도시된 바와 같이, 제어부(나타내지 않음)와, 소정의 파장의 빛을 생성하여 평행하게 출력하는 레이저와 같은 광원(800)과, 상기 광원(800)으로부터 출력되는 평행빛을 입사하여 반도체 웨이퍼(801)와 같은 피측물(801-1, 801-2)에 비추는 DSIL(100A)과, 입사하는 빛에 대하여 수직방향으로 상기 피측물(801-1, 801-2)을 이동시키는 평면 변위 구동부(802)를 포함한다.
여기서, 상기 반도체 웨이퍼(801)는, 기판(801-2)과, 빛에 의하여 감광되는 포토레지스터 층(801-1)으로 구성된다.
상기와 같이 구성된 본발명에 따른 리소그라피 장치는, DSIL을 이용하여 회절한계가 극복된 빛점을 생성하고, 그에 따라 선폭을 줄인다. 따라서, 상기 리소크라피 장치는, 선폭이 좁은 빛점은 상기 포토레지스터 층의 감광도를 크게 하기 때문에, 상기 반도체 웨이퍼 위에 회로를 정밀하게 설계한다.
한편, 집광 렌즈의 제 1곡면의 반지름(R), 상기 제 1곡면의 코닉(cornic) 계수(K), 그 두께(T) 및 그 재질(M)을 변화시켜 가면서, DSIL을 제작하고, 그 제작된 DSIL의 수차곡선을 나타내면 다음과 같다. 이때, 사용된 빛의 파장은 650nm를 이용하였다.
도 16은 본 발명에 따른, DSIL의 모양 결정 요소들의 변화에 따라 제작된, DSIL을 나타낸 제 1구조도이다.
도시된 DSIL의 모양을 결정하는 요소들이, 표 1에 도시된 바와 같은 값일 경우, 그 모양이 결정된다.
다음 표 1은 이중 접합 SIL의 수치 데이터이다.
S1 S2 S3
반경 (R) 0.83972 -0.36859 0
두께 (T) 1.300000 0.400000 0
재질 (M) TAF4_HOYA pmma
코닉계수(K) -0.512623 -6.849741
A 0.336225 E-1 0.508149 E+00
B 0.762530 E-02 -0.104049 E+01
C -0.614245 E-02 0.106122 E+01
D 0.308525 E-01 -0.384998 E+00
여기서, 상기 A, B, C 및 D는 집광 렌즈 제 1곡면의 계수들로서, 4, 6, 8 및 10차 항값을 나타낸다.
한편, 도 16에 도시된 DSIL의 집광 렌즈와 결합되는 SIL은 플라스틱 재질이다.
도 17(A)는 도 16에 도시된 DSIL의 길이방향 구면수차 곡선이고, 도 17(B)는 도 16에 도시된 DSIL의 수차곡선이며, 도 17(C)는 도 16에 도시된 DSIL의 왜곡수차 곡선이다.
도 18은 본발명에 따른, DSIL의 모양 결정 요소들의 변화에 따라 제작된, DSIL을 나타낸 제 2구조도이다.
도시된 DSIL의 모양을 결정하는 요소들이, 표 2에 도시된 바와 같은 값일 경우, 그 모양이 결정된다.
다음 표 2은 이중 접합 SIL의 수치 데이터이다.
S1 S2 S3
반경 (R) 0.87066 -0.48861 0
두께 (T) 1.300000 0.400000 0
재질 (M) FDS90_HOYA pmma
코닉계수(K) -0.512349 -9.564994
A 0.301628 E-01 0.517556 E+00
B 0.136881 E-01 -0.105033 E+01
C 0.872475 E-02 0.101987 E+01
D 0.295381 E-01 -0.317603 E+00
여기서, 상기 A, B, C 및 D는 집광 렌즈 제 1곡면의 계수들로서, 4, 6, 8 및 10차 항값을 나타낸다.
한편, 도 18에 도시된 DSIL의 집광 렌즈와 결합되는 SIL은 플라스틱 재질이다.
도 19(A)는 도 18에 도시된 DSIL의 길이방향 구면수차곡선이고, 도 19(B)는 도 18에 도시된 DSIL의 수차곡선이며, 도 19(C)는 도 18에 도시된 DSIL의 왜곡수차곡선이다.
도 20은 본발명에 따른, DSIL의 모양 결정 요소들의 변화에 따라 제작된, DSIL을 나타낸 제 3구조도이다.
도시된 DSIL의 모양을 결정하는 요소들이, 표 3에 도시된 바와 같은 값일 경우, 그 모양이 결정된다.
다음 표 3은 이중 접합 SIL의 수치 데이터이다.
S1 S2 S3
반경 (R) 0.84142 -0.27085
두께 (T) 1.300000 0.370000 0
재질 (M) FIS90_HOYA BACK5_HOYA
코닉계수(K) -0.518032 -5.058542
A 0.364901 E-01 0.696635 E+00
B 0.127526 E-01 -0.6353 E+01
C -0.143034 E-01 0.183104 E+01
D 0.446156 E-01 0.602442 E+00
여기서, 상기 A, B, C 및 D는 집광 렌즈 제 1곡면의 계수들로서, 4, 6, 8 및 10차 항값을 나타낸다.
한편, 도 20에 도시된 DSIL의 집광 렌즈와 결합되는 SIL은 유리 재질이다.
도 21(A)는 도 20에 도시된 DSIL의 길이방향 구면수차곡선이고, 도 21(B)는도 20에 도시된 DSIL의 수차곡선이며, 도 21(C)는 도 20에 도시된 DSIL의 왜곡수차곡선이다.
도 22은 본 발명에 따른, DSIL의 모양 결정 요소들의 변화에 따라 제작된, DSIL을 나타낸 제 4구조도이다.
도시된 DSIL의 모양을 결정하는 요소들이, 표 4에 도시된 바와 같은 값일 경우, 그 모양이 결정된다.
다음 표 4은 이중 접합 SIL의 수치 데이터이다.
S1 S2 S3
반경 (R) 0.85735 0.43727 0
두께 (T) 1.280000 0.400000 0
재질 (M) FDS90_HOYA BK7_SCHOTT
코닉계수(K) -0.451342 -7.739613
A 0.184841 E-01 0.0639486 E+00
B 0.376338 E-03 -0.162471 E+01
C 0.191646 E-02 0.233787 E+01
D 0.132118 E-01 -0.145866 E+01
여기서, 상기 A, B, C 및 D는 집광 렌즈 제 1곡면의 계수들로서, 4, 6, 8 및 10차 항값을 나타낸다.
한편, 도 22에 도시된 DSIL의 집광 렌즈와 결합되는 SIL은 유리 재질이다.
도 23(A)는 도 22에 도시된 DSIL의 길이방향 구면수차곡선이고, 도 23(B)는 도 22에 도시된 DSIL의 수차곡선이며, 도 23(C)는 도 22에 도시된 DSIL의 왜곡수차곡선이다.
지금까지 설명한 본 발명에 따른 DSIL은, 집광 렌즈와 SIL이 결합되어 하나의 광학 모듈로 제작됨으로써, 정렬 및 조립이 쉽고 정렬 허용 공차가 비교적 클 뿐만 아니라 회절한계를 극복할 수 있다. 또한, 본발명에 따른 DSIL을 이용한 근접장 광학 시스템은 그 응용분야가 넓다. 예를 들어, 광기록/재생 장치는, 기록매체의 데이터 기록밀도를 높일 수 있기 때문에, 상기 기록매체에 데이터를 상대적으로 많이 저장할 수 있다. 또한 표면 관찰용 주사 현미경은, 그 분해능을 높일수 있며, DSIL을 이용한 반도체 리소크라피 장치는 광원의 선폭을 줄일 수 있기 때문에 웨이퍼에 회로를 정밀하게 설계할 수 있다.

Claims (23)

  1. 외부에 초점을 갖는, 제 1입사면을 통하여 외부로부터 빛을 입사하여 그 내부에서 제 1굴절시키고, 제 1출사면을 통하여 상기 제 1굴절된 빛을 상기 초점에 모으는 제 1렌즈와,
    상기 볼록 렌즈의 제 1출사면에 접합되어 상기 제 1출사면으로부터 출사되는 제 1굴절된 빛을 입사하는 제 2입사면과, 상기 제 2입사면을 통하여 입사된 제 1굴절된 빛을 제 2굴절시키고, 상기 볼록 렌즈의 초점거리에 제 2출사면을 갖는 제 2렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중접합 에스아이엘(SIL)(DSIL, DOUBLE SOLID IMMERSION LENS).
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1렌즈의 제 1출사면과 상기 제 2렌즈의 제 2입사면은
    같은 곡률반경을 갖고 서로 밀착하여 하나의 접합면을 형성하는 것을 특징으로 하는 DSIL.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1렌즈의 제 1입사면과 제 1출사면의 곡률반경은
    서로 다른 것을 특징으로 하는 DSIL.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1렌즈의 제 1입사면의 곡률반경은
    제 1출사면의 곡률반경보다 상대적으로 큰 것을 특징으로 하는 DSIL.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1렌즈와 상기 제 2렌즈는
    굴절율이 서로 갖거나 서로 다른 재질인 것을 특징으로 하는 DSIL.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2렌즈의 출사면으로부터 출력되는 빛은
    근접장 광에너지인 것을 특징으로 하는 DSIL.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2렌즈는
    제 2출사면의 내부 또는 외부의 가장자리에 공기 패드 또는 자화 코일을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DSIL.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1렌즈의 제 1입사면에 입사되는 빛은
    레이저에 의하여 생성되는 것을 특징으로 하는 DSIL.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2렌즈를 고정하는 렌즈 지그와,
    상기 제 1렌즈의 입사면으로부터 소정의 간격을 두고 떨어져서, 상기 렌즈 지그에 의하여, 상기 평행한 빛을 생성하여 출력하는 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 DSIL.
  10. 시스템 전체를 제어하는 제어부와,
    외부로부터 빛을 입사하여 소정의 피측물에 근접장 광에너지를 출력하는 이중접합 에스아이엘 (SIL)(DSIL,Double Solid Immersion Lens)과,
    상기 DSIL을 고정하는 광학 헤드부와,
    상기 광학 헤드부와 피측물과 그 사이에 거리를 조절하는 가변 구동부와,
    상기 광학 헤드부를 고정하는 서스펜션과,
    상기 서스펜션을 지지하는 지지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 DSIL을 이용한 근접장 광학 시스템.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 빛을 생성하여 공급하는 빛공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DSIL을 이용한 근접장 광학 시스템.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 빛공급부는
    상기 빛을 생성하는 레이저와,
    상기 생성된 빛을 상기 DSIL에 반사시켜 공급하는 거울을 포함하는 것을 특징으로 하는
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 빛공급부는
    상기 빛을 생성하는 레이저와,
    상기 생성된 빛을 상기 DSIL에 전달하는 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 광섬유와 상기 DSIL을 연결하는 광섬유 연결자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
  15. 제 10항에 있어서,
    상기 DSIL은
    외부에 초점을 갖는, 제 1입사면을 통하여 외부로부터 빛을 입사하여 그 내부에서 제 1굴절시키고, 제 1출사면을 통하여 상기 제 1굴절된 빛을 상기 초점에모으는 제 1렌즈와,
    상기 볼록 렌즈의 제 1출사면에 접합되어 상기 제 1출사면으로부터 출사되는 제 1굴절된 빛을 입사하는 제 2입사면과, 상기 제 2입사면을 통하여 입사된 제 1굴절된 빛을 제 2굴절시키고, 상기 볼록 렌즈의 초점거리에 제 2출사면을 갖는 제 2렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 DSIL을 이용한 근접장 광학 시스템.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 제 2렌즈는
    제 2출사면의 내부의 가장자리에 공기 패드 또는 자화 코일을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DSIL을 이용한 근접장 광학 시스템.
  17. 제 10항에 있어서,
    상기 광학 헤드부는
    상기 DSIL을 고정하는 렌즈 지그와,
    상기 입사빛 쪽으로 상기 렌즈 지그의 끝에 부착되는 길이 가변 구동부와,
    상기 길이 가변 구동부의 동작에 따라 상기 DSIL과 상기 피측물의 표면 사이의 거리를 검출하는 거리 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 DSIL을 이용한 근접장 광학 시스템.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 가변 구동부는
    전압에 따라 그 길이가 변하는 것을 특징으로 하는 DSIL을 이용한 근접장 광학 시스템.
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 가변 구동부는
    전류에 따라 그 길이가 변하는 것을 특징으로 하는 DSIL을 이용한 근접장 광학 시스템.
  20. 제 17항에 있어서,
    상기 거리 검출기는
    정전용량 검출하여 거리를 검출하는 것을 특징으로 하는 DSIL을 이용한 근접장 광학 시스템.
  21. 제 17항에 있어서,
    상기 광학 헤드부는
    상기 빛을 생성하는 광원과 광검출기 포함하는 것을 특징으로 하는 DSIL을 이용한 근접장 광학 시스템.
  22. 제 10항에 있어서,
    상기 DSIL을 통하여 상기 피측물로부터 반사된 빛을 반투과 시키는 반투과 거울과,
    상기 반투과 거울로부터 반사된 빛을 검출하는 광검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 DSIL을 이용한 근접장 광학 시스템.
  23. 제 10항에 있어서,
    상기 광학헤드부는
    슬라이더 및/또는 자화코일을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DSIL을 이용한 근접장 광학 시스템.
KR1020010064841A 2001-10-19 2001-10-19 이중접합 에스아이엘(ｄｓｉｌ)과 이를 이용한 근접장광학 시스템 KR20030032751A (ko)

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