KR20050102733A

KR20050102733A - Near-field patterning apparatus using laser beam

Info

Publication number: KR20050102733A
Application number: KR1020040027527A
Authority: KR
Inventors: 장원석; 최무진; 김재구; 신보성; 황경현
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2004-04-21
Filing date: 2004-04-21
Publication date: 2005-10-27
Also published as: KR100593841B1

Abstract

본 발명은 패터닝 장치에 관한 것으로서, 특히 레이저 패턴닝 장치에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 레이저빔으로 가공물에 패턴을 형성하는 패터닝 장치에 있어서, 레이저빔을 생성하는 레이저 광원과, 선단이 상기 가공물에 근접하며 상기 선단에는 상기 레이저 광원에서 발생한 레이저빔의 파장보다 작은 직경의 개구부가 형성된 프로브와, 상기 프로브의 선단과 상기 가공물 사이의 거리에 따라 변하는 상기 프로브의 진동상태를 측정하는 진동감지기와, 상기 가공물 또는 프로브를 상기 프로브의 개구부로부터 조사되는 레이저빔에 대하여 대체로 수직인 방향을 따라 평면이동시키는 스캐너부와, 상기 프로브의 선단과 상기 가공물 사이의 거리가 일정하게 유지하도록 상기 진동감지기의 신호에 따라 상기 프로브 또는 가공물을 이동시키는 거리유지부를 포함하며, 상기 레이저 광원으로부터 전송된 레이저빔이 상기 프로브의 개구부를 지나 상기 가공물에 조사되는 레이저 패터닝 장치가 제공된다.The present invention relates to a patterning device, and more particularly to a laser patterning device. According to the present invention, there is provided a patterning apparatus for forming a pattern on a workpiece with a laser beam, the laser light source generating a laser beam, the tip of which is close to the workpiece, and the tip has a diameter smaller than the wavelength of the laser beam generated by the laser light source. A probe having an opening formed therein, a vibration sensor for measuring a vibration state of the probe that varies according to a distance between the tip of the probe and the workpiece, and a workpiece or probe generally perpendicular to a laser beam irradiated from the opening of the probe And a distance maintaining part for moving the probe or the workpiece in accordance with the signal of the vibration detector so that the distance between the tip of the probe and the workpiece is kept constant. Transmitted laser beam of the probe A laser patterning device through the bend to be irradiated to the workpiece is provided.

Description

Near-field laser patterning device {NEAR-FIELD PATTERNING APPARATUS USING LASER BEAM}

본 발명은 패터닝 장치에 관한 것으로서, 특히 레이저 패턴닝 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a patterning device, and more particularly to a laser patterning device.

레이저 패터닝 장치는 레이저빔을 가공물에 조사하여 패턴을 형성하는 장치이다. 종래의 레이저 패터닝 장치는 원격장(far-field)의 환경에서 패터닝 공정을 수행하므로 근본적으로 광원의 반파장 이하의 물체를 다룰 수 없다는 회절한계(diffraction limit)로 인해 패턴의 정밀도에 한계가 있다. 또한, 종래의 레이저 패터닝 장치는 레이저빔을 고정시키고 가공물을 이동시켜 패터닝 공정을 수행한다. 이렇게 가공물이 이동하는 구성은 가공물이 바이오 물질인 경우 적합하지 못하다. 가공물의 이동 중에 생긴 진동에 취약하기 때문이다.The laser patterning device is a device that forms a pattern by irradiating a workpiece with a laser beam. Since the conventional laser patterning apparatus performs the patterning process in a far-field environment, there is a limit in the precision of the pattern due to the diffraction limit, which essentially cannot handle an object less than half the wavelength of the light source. In addition, a conventional laser patterning apparatus performs a patterning process by fixing a laser beam and moving a workpiece. This configuration in which the workpiece moves is not suitable when the workpiece is a biomaterial. This is because it is vulnerable to vibrations generated during the movement of the workpiece.

본 발명의 목적은 빛의 회절한계를 극복하여 보다 정밀한 패턴을 형성할 수 있는 레이저 패터닝 방법 및 그 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 바이오물질에 패턴을 형성하는데 적합한 레이저 패터닝 방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a laser patterning method and apparatus capable of forming a more precise pattern by overcoming the diffraction limit of light. Another object of the present invention is to provide a laser patterning method and apparatus suitable for forming a pattern on a biomaterial.

본 발명의 일측면에 따르면, 레이저빔으로 가공물에 패턴을 형성하는 패터닝 장치에 있어서, 레이저빔을 생성하는 레이저 광원과, 선단이 상기 가공물에 근접하며 상기 선단에는 상기 레이저 광원에서 발생한 레이저빔의 파장보다 작은 직경의 개구부가 형성된 프로브와, 상기 프로브의 선단과 상기 가공물 사이의 거리에 따라 변하는 상기 프로브의 진동상태를 측정하는 진동감지기와, 상기 가공물 또는 프로브를 상기 프로브의 개구부로부터 조사되는 레이저빔에 대하여 대체로 수직인 방향을 따라 평면이동시키는 스캐너부와, 상기 프로브의 선단과 상기 가공물 사이의 거리가 일정하게 유지하도록 상기 진동감지기의 신호에 따라 상기 프로브 또는 가공물을 이동시키는 거리유지부를 포함하며, 상기 레이저 광원으로부터 전송된 레이저빔이 상기 프로브의 개구부를 지나 상기 가공물에 조사되는 레이저 패터닝 장치가 제공된다.According to one aspect of the invention, in the patterning apparatus for forming a pattern on the workpiece with a laser beam, a laser light source for generating a laser beam, the front end is close to the workpiece and the front end wavelength of the laser beam generated from the laser light source A probe having a smaller diameter opening, a vibration sensor for measuring a vibration state of the probe that varies according to a distance between the tip of the probe and the workpiece, and the workpiece or probe to a laser beam irradiated from the opening of the probe A scanner for moving the plane along a generally perpendicular direction with respect to the direction, and a distance maintaining part for moving the probe or the workpiece in accordance with the signal of the vibration detector so that the distance between the tip of the probe and the workpiece is kept constant. The laser beam transmitted from the laser light source is A laser patterning device to be irradiated to the processing member is provided over the opening of the lobe.

상기 레이저 패터닝 장치는 상기 레이저 광원에서 생성된 레이저빔을 상기 프로브로 집속시켜 전송하는 집광렌즈를 더 포함하며, 상기 스캐너부는 상기 가공물이 평면이동시킬 수 있다.The laser patterning apparatus may further include a condenser lens for focusing and transmitting the laser beam generated by the laser light source to the probe, and the scanner unit may planarly move the workpiece.

상기 레이저 광원은 펨토초 레이저일 수 있다.The laser light source may be a femtosecond laser.

상기 레이저 패터닝 장치는 상기 레이저 광원에서 생성된 레이저빔을 상기 프로브로 전송하는 광도파로를 더 포함하며, 상기 스캐너는 상기 프로브를 평면이동시킬 수 있다.The laser patterning apparatus may further include an optical waveguide for transmitting the laser beam generated by the laser light source to the probe, and the scanner may planarly move the probe.

상기 진동감지기는 튜닝포크일 수 있다.The vibration sensor may be a tuning fork.

상기 레이저 패터닝 장치는 상기 가공물로부터 반사되거나 가공물을 통과한 레이저빔을 검출하도록 마련되는 적어도 하나의 광검출기를 더 포함할 수 있다.The laser patterning device may further include at least one photodetector provided to detect a laser beam reflected from or passed through the workpiece.

상기 광검출기는 아발란체 포토 다이오드일 수 있다.The photodetector may be an avalanche photo diode.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 레이저빔을 가공물에 조사하여 패터닝하는 방법으로서, 레이저빔의 파장보다 작은 직경의 개구부가 형성된 선단을 구비하는 프로브의 상기 개구부를 통해 레이저빔을 상기 가공물로 조사하는 단계와, 상기 프로브의 선단과 상기 가공물이 근접한 상태를 유지하며 상기 가공물 또는 프로브를 상기 프로브의 개구부로부터 조사되는 레이저빔에 대하여 대체로 수직인 방향을 따라 평면이동시켜 가공물에 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 레이저 패터닝 방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, a method for patterning a laser beam by irradiating the workpiece, irradiating the laser beam to the workpiece through the opening of the probe having a tip having an opening having a diameter smaller than the wavelength of the laser beam; And maintaining the proximal end of the probe and the workpiece to form a pattern on the workpiece by planarly moving the workpiece or probe in a direction generally perpendicular to the laser beam irradiated from the opening of the probe. A laser patterning method is provided.

상기 레이저 패터닝 방법은 상기 프로브의 선단과 상기 가공물 사이의 거리에 따라 변하는 상기 프로브의 진동상태를 측정하여 상기 프로브의 선단과 가공물의 근접 상태를 유지시킬 수 있다.The laser patterning method may maintain the proximal state of the tip of the probe and the workpiece by measuring a vibration state of the probe that varies according to a distance between the tip of the probe and the workpiece.

상기 레이저 패터닝 방법은 상기 가공물로부터 반사되거나 가공물을 통과한 레이저빔을 검출하는 단계를 더 포함할 수 있다.The laser patterning method may further include detecting a laser beam reflected from or passed through the workpiece.

상기 레이저 패터닝 방법은 레이저빔을 상기 프로브로 집속시키는 단계를 더 포함할 수 있다.The laser patterning method may further include focusing a laser beam onto the probe.

상기 레이저 패터닝 방법은 레이저빔을 상기 프로브로 광도파로를 통해 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.The laser patterning method may further include transmitting a laser beam to the probe through an optical waveguide.

근접장(near-field) 현상이란 파장보다 작은 구멍을 통과한 빛이 구멍의 크기와 비슷한 거리 내에서는 회절이 일어나지 않는 현상을 말한다. 이러한 근접장 현상을 이용하면 기존의 원격장(far-field)에서와는 달리 광원의 반파장 이하의 물체를 다룰 수 있다. 현재 근접장을 이용하여 광원의 파장보다 더 짧은 광분해능을 가지는 현미경인 근접장 주사 광학 현미경(NSOM; Near-field Scanning Optical Microscope)이 사용된다. 본 발명은 이러한 NSOM 장비의 일부 구성을 이용하여 가공물에 보다 정밀한 패턴을 형성하는 장치에 관한 것이다. 한편 본 명세서에서 바이오 물질이라 함은 DNA 또는 단백질 등의 바이오분자를 가리킨다.Near-field phenomenon refers to a phenomenon in which light passing through a hole smaller than the wavelength does not diffract within a distance similar to the size of the hole. This near-field phenomenon can handle objects below half-wavelength of the light source, unlike conventional far-fields. Near-field Scanning Optical Microscope (NSOM) is currently used, which is a microscope having a light resolution shorter than the wavelength of a light source using a near field. The present invention relates to an apparatus for forming a more precise pattern on a workpiece by using some configuration of such NSOM equipment. In the present specification, the biomaterial refers to a biomolecule such as DNA or protein.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도1은 본 발명의 제1 실시예에 대한 도면이다. 도1을 참조하면, 레이저 패터닝 장치(10)는 레이저 광원(20)과, 제1 미러(30)와, 렌즈(40)와, 프로브(50)와, 진동감지기(60)와, 가공물 스테이지(70)와, 미세이동장치(80)와, 제1 광검출기(90)와, 제2 광검출기(91)와, 제2 미러(95)를 구비한다. 레이저 광원(20)은 레이저빔을 발생시킨다. 본 실시예에서는 레이저 광원(20)으로서 펨토초 레이저를 사용하는 것이 바람직하다. 그러나 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. Nd-YAG 레이저와 같은 다른 가공용 레이저가 레이저 광원으로 사용될 수도 있다. 제1 미러(30)는 레이저 광원(20)에서 발생한 레이저빔을 렌즈(40)를 향해 반사한다. 렌즈(40)는 제1 미러(30)로부터 전송된 레이저빔을 집속하여 프로브(50)의 후단 쪽으로 입력시킨다.1 is a diagram of a first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the laser patterning apparatus 10 includes a laser light source 20, a first mirror 30, a lens 40, a probe 50, a vibration sensor 60, and a workpiece stage ( 70, a micromoving device 80, a first photodetector 90, a second photodetector 91, and a second mirror 95 are provided. The laser light source 20 generates a laser beam. In this embodiment, it is preferable to use a femtosecond laser as the laser light source 20. However, the present invention is not limited thereto. Other processing lasers, such as Nd-YAG lasers, may also be used as the laser light source. The first mirror 30 reflects the laser beam generated by the laser light source 20 toward the lens 40. The lens 40 focuses the laser beam transmitted from the first mirror 30 and inputs the laser beam toward the rear end of the probe 50.

프로브(50)는 광도파관으로서 선단이 뾰족하게 테이퍼진 형태이다. 상세히 도시되지는 않았으나, 프로브(50)의 선단에는 레이저빔의 직경보다 작은 미세한 개구부가 형성된다. 프로브(50)의 선단은 가공물(100)에 근접하는데, 공작물(100)과 프로브(50)의 선단 사이의 거리는 수십nm 내지 수백nm이다. 프로브(50)는 가공물(100)과 근접한 상태에서 전단력을 받는다. 레이저빔은 프로브(50)의 후단으로 들어와서 선단에 형성된 개구부를 통해 가공물(100)로 조사된다. 프로브(50)는 진동감지기(60)에 장착된다. 본 실시예에서는 진동감지기(60)로서 튜닝포크를 사용하는 것으로 한다. 튜닝포크는 프로브를 진동시킴과 동시에 그 진폭의 변화를 측정하는 장치로서, 한국공개특허공보 2001-68003호에 개시된 것과 같은 구성인 것을 사용할 수 있으며 상기 공보에 기재된 사항은 본 명세서의 일부로 참조한다. 가공물 스테이지(70)에는 가공물(100)이 놓여진다. 가공물 스테이지(70)는 미세이동장치(80)에 연결된다.The probe 50 is an optical waveguide having a sharp tapered tip. Although not shown in detail, a minute opening smaller than the diameter of the laser beam is formed at the tip of the probe 50. The tip of the probe 50 is close to the workpiece 100, and the distance between the workpiece 100 and the tip of the probe 50 is several tens of nm to several hundred nm. The probe 50 receives a shear force in a state in which the probe 50 is in close proximity to the workpiece 100. The laser beam enters the rear end of the probe 50 and is irradiated to the workpiece 100 through the opening formed at the front end. The probe 50 is mounted to the vibration sensor 60. In this embodiment, a tuning fork is used as the vibration sensor 60. The tuning fork is a device that vibrates a probe and simultaneously measures a change in its amplitude. The tuning fork may be configured as that disclosed in Korean Patent Laid-Open No. 2001-68003, and the matters described in this publication are referred to as part of the present specification. The workpiece 100 is placed on the workpiece stage 70. The workpiece stage 70 is connected to the micromoving device 80.

미세이동장치(80)는 가공물 스테이지(70)를 미세하게 공간이동시키는 장치로서, 본 실시예에서는 예를 들면 이스라엘의 나노닉스 이머징사(www.nanonics.co.il)의 3D Flatscanner를 사용하는 것으로 한다. 본 실시예에서는 프로브(50)로부터 조사되는 레이저빔의 방향을 z축이라 하고, z축과 수직을 이루는 평면상에 놓이며 서로 직각을 이루는 두 축을 각각 x축, y축으로 한다. 미세이동장치(80)는 가공물(100)을 x-y 평면이동시킴과 동시에 가공물(100)을 z축 방향을 따라 직선이동시킨다. 이하, x-y 평면이동시키는 부분을 스캐너부라 하고, z축 방향을 따라 직선이동시키는 부분을 거리유지부라 한다. 미세이동장치(80)의 거리유지부는 진동감지기(60)로부터 측정된 프로브(50)의 진동상태를 이용하여 가공물(100)이 프로브(50)의 선단과 수십nm를 유지하도록 가공물 스테이지(70)를 적절히 z축 방향으로 미세하게 이동시킨다.The micromigration device 80 is a device for finely moving the workpiece stage 70. In this embodiment, for example, a 3D Flatscanner made by Israel's Nanonics Emerging Company (www.nanonics.co.il) is used. do. In this embodiment, the direction of the laser beam irradiated from the probe 50 is referred to as the z axis, and two axes which are placed on a plane perpendicular to the z axis and perpendicular to each other are the x axis and the y axis, respectively. The micromoving device 80 moves the workpiece 100 in the x-y plane and linearly moves the workpiece 100 along the z-axis direction. Hereinafter, a portion to move the x-y plane is called a scanner portion, and a portion to be linearly moved along the z-axis direction is called a distance maintaining portion. The distance maintaining part of the micromoving device 80 uses the vibration state of the probe 50 measured from the vibration sensor 60 so that the workpiece 100 maintains the tip of the probe 50 and several tens of nm. Is finely moved in the z-axis direction as appropriate.

제1 광검출기(90)와 제2 광검출기(91)는 각각 가공물 스테이지(70)를 사이에 두고 양쪽에 배치된다. 제1 광검출기(90)는 가공물(100)이 놓여지는 면을 바라도록 배치되고, 제2 광검출기(91)는 가공물(100)이 놓여지는 면의 반대편에 배치된다. 제1 광검출기(90)는 가공물(100)로부터 반사된 레이저빔(점선으로 도시)을 검출한다. 제2 광검출기(91)는 가공물(100)을 통과한 레이저빔(점선으로 도시)을 검출한다. 제1 광검출기(90)와 제2 광검출기(91)에 의해 가공물(100)의 표면지형 정보가 추출된다. 본 실시예에서는 제1 광검출기(90)와 제2 광검출기(91)로서 아발란체 포토 다이오드를 사용한다. 제2 광검출기(91)는 가공물(100)이 바이오 물질과 같은 투광성 재료일 때 이용된다.The first photodetector 90 and the second photodetector 91 are disposed on both sides with the workpiece stage 70 interposed therebetween. The first photodetector 90 is disposed facing the surface on which the workpiece 100 is placed, and the second photodetector 91 is disposed opposite the surface on which the workpiece 100 is placed. The first photodetector 90 detects a laser beam (shown in dashed lines) reflected from the workpiece 100. The second photodetector 91 detects a laser beam (shown in dashed lines) that has passed through the workpiece 100. The surface topography information of the workpiece 100 is extracted by the first photodetector 90 and the second photodetector 91. In this embodiment, an avalanche photodiode is used as the first photodetector 90 and the second photodetector 91. The second photodetector 91 is used when the workpiece 100 is a light transmissive material such as a biomaterial.

제2 미러(95)는 가공물(100)로부터 반사되어 제1 광검출기(90)로 향하는 레이저빔의 일부를 반사하여 접안부(99)로 전송한다.The second mirror 95 reflects a portion of the laser beam reflected from the workpiece 100 toward the first photodetector 90 and transmitted to the eyepiece 99.

이제, 도1과 도2를 참조하여 상기 실시예의 작용을 상세히 설명한다. 도2에 도시된 바와 같이 도1에 도시된 패터닝 장치(10)는 먼저 프로브(50)의 선단에 마련된 개구부(도시되지 않음)를 통해 레이저빔을 가공물(100)에 조사한다. 이 단계는 다음과 같이 수행된다. 레이저 광원(20)으로부터 발생한 레이저빔은 제1 미러(30)에 의해 반사되어 렌즈(40)로 전송된다. 렌즈(40)로 전송된 레이저빔은 렌즈(40)에 의해 집광되어 프로브(50)의 후단으로 전송된다. 프로브(50)의 후단에서 집광된 레이저빔은 광도파관인 프로브(50)의 선단으로 전송된다. 레이저빔은 프로브(50)의 선단에 마련된 레이저빔의 파장보다 작은 직경의 개구부(도시되지 않음)를 통해 가공물(100)로 조사된다.1 and 2, the operation of the above embodiment will be described in detail. As shown in FIG. 2, the patterning apparatus 10 shown in FIG. 1 first irradiates the workpiece 100 with a laser beam through an opening (not shown) provided at the tip of the probe 50. This step is performed as follows. The laser beam generated from the laser light source 20 is reflected by the first mirror 30 and transmitted to the lens 40. The laser beam transmitted to the lens 40 is focused by the lens 40 and transmitted to the rear end of the probe 50. The laser beam collected at the rear end of the probe 50 is transmitted to the tip of the probe 50 which is an optical waveguide. The laser beam is irradiated to the workpiece 100 through an opening (not shown) having a diameter smaller than the wavelength of the laser beam provided at the tip of the probe 50.

다음에는 도2에 도시된 바와 같이 도1에 도시된 프로브(50)의 선단과 가공물(100) 사이의 거리가 수십nm가 되도록 근접시킨다. 이 단계는 다음과 같이 수행된다. 미세이동장치(80)의 거리유지부는 가공물 스테이지(70)를 z축 방향을 따라 이동시켜 가공물(100)이 프로브(50)의 선단에 가까워지도록 한다. 이때, 진동감지기(60)로서 작용하는 튜닝포크는 프로브(50)를 미세하게 진동시킨다. 프로브(50)의 선단이 가공물(100)에 가까워짐에 따라 가공물(100)에 가해지는 전단력이 변하여 프로브(50)의 진동상태가 변하게 된다. 튜닝포크는 프로브(50)의 진동상태를 측정한다. 이 측정값을 이용하여 미세이동장치(80)의 거리유지부는 프로브(50)의 선단과 가공물(100)의 거리가 수십nm가 되도록 가공물 스테이지(70)를 z축 방향을 따라 미세하게 이동시킨다. 도시되지는 않았으나, 진동감지기(60)로부터 측정된 값으로부터 미세이동장치(80)의 동작을 제어하는 제어부가 구비됨을 당업자라면 이해할 수 있을 것이다.Next, as shown in FIG. 2, the distance between the tip of the probe 50 and the workpiece 100 shown in FIG. 1 is approximated to be several tens of nm. This step is performed as follows. The distance maintaining part of the micromoving device 80 moves the workpiece stage 70 along the z-axis direction so that the workpiece 100 approaches the tip of the probe 50. At this time, the tuning fork serving as the vibration sensor 60 vibrates the probe 50 finely. As the tip of the probe 50 approaches the workpiece 100, the shear force applied to the workpiece 100 is changed to change the vibration state of the probe 50. The tuning fork measures the vibration state of the probe 50. Using this measurement value, the distance holding part of the micromigration device 80 finely moves the workpiece stage 70 along the z-axis direction such that the distance between the tip of the probe 50 and the workpiece 100 is several tens of nm. Although not shown, it will be understood by those skilled in the art that a controller is provided to control the operation of the micromigration device 80 from the value measured from the vibration sensor 60.

다음에는 도2에 도시된 바와 같이 도1에 도시된 가공물(100)에 패턴을 형성한다. 이 단계는 미세이동장치(80)의 스캐너부가 가공물(100)을 x-y 평면상에서 이동시킴으로써 수행된다. 가공물(100)이 x-y 평면을 이동할 때 가공물(100)과 프로브(50)의 선단 사이의 거리는 진동감지기(60)와 미세이동장치(80)의 거리유지부에 의해 수십nm를 계속 유지된다. 이때, 가공물(100)로부터 반사된 레이저빔은 점선으로 도시된 바와 같이 제1 광검출기(90)를 통해 검출된다. 만일 가공물(100)이 바이오물질과 같이 투과성인 경우 가공물을 통과한 레이저빔이 제2 광검출기(91)를 통해 검출된다. 제1 광검출기(90) 또는 제2 광검출기(91)를 통해 레이저빔에 의해 패터닝 공정이 수행됨과 동시에 가공물의 지형 정보가 추출된다.Next, as shown in FIG. 2, a pattern is formed on the workpiece 100 shown in FIG. 1. This step is performed by moving the workpiece 100 on the x-y plane of the scanner portion of the micromigration device 80. When the workpiece 100 moves in the x-y plane, the distance between the workpiece 100 and the tip of the probe 50 is maintained for several tens of nm by the distance maintaining part of the vibration detector 60 and the micromigration device 80. At this time, the laser beam reflected from the workpiece 100 is detected through the first photodetector 90 as shown by the dotted line. If the workpiece 100 is transparent, such as a biomaterial, the laser beam passing through the workpiece is detected through the second photodetector 91. The patterning process is performed by the laser beam through the first photodetector 90 or the second photodetector 91 and the topographic information of the workpiece is extracted.

상기 실시예에서는 프로브(50)의 선단과 가공물(100) 사이의 거리가 일정하게 유지되도록 하는 거리유지부가 가공물(100)을 평면이동시키는 스캐너부와 함께 일체로 형성되는 것으로 설명하였다. 그러나 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 거리유지부는 프로브(50)를 z축 방향을 따라 이동시키도록 구성될 수도 있음을 당업자라면 이해할 수 있을 것이다.In the above embodiment, the distance maintaining part for maintaining a constant distance between the tip of the probe 50 and the work piece 100 is described as being integrally formed together with the scanner part for flatly moving the work piece 100. However, the present invention is not limited thereto. It will be understood by those skilled in the art that the distance maintaining part may be configured to move the probe 50 along the z-axis direction.

도3은 본 발명의 제2 실시예에 대한 도면이다. 도3을 참조하면, 레이저 패터닝 장치(10a)는 레이저 광원(20a)과 프로브(50a)의 후단을 연결하는 광도파로(15a)와, 진동감지기(60a)에 연결되어 프로브(50a)를 z축 방향으로 이동시키는 거리유지부와 프로브(50a)를 x-y 평면상에서 이동시키는 스캐너부를 구비하는 미세이동장치(80a)를 구비한다. 레이저 광원(20a)은 펨토초 레이저를 제외한 적외선, 가시광선, 자외선 영역의 일반적인 레이저를 사용하는 것이 바람직하다. 광도파로(15a)는 광섬유와 같은 소재로서 유연하며 레이저 광원(20a)으로부터 생성된 레이저빔을 프로브(50a)의 후단으로 전송한다. 미세이동장치(80a)는 도1에 도시된 미세이동장치(80)와 동일한 구성이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 그 외의 구성은 도1의 실시예와 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.3 is a diagram of a second embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, the laser patterning apparatus 10a is connected to an optical waveguide 15a for connecting the laser light source 20a and the rear end of the probe 50a and a vibration sensor 60a so that the probe 50a is z-axis. The micro-movement apparatus 80a provided with the distance holding part which moves to a direction, and the scanner part which moves the probe 50a on an xy plane is provided. As the laser light source 20a, it is preferable to use a general laser in the infrared, visible and ultraviolet regions except for the femtosecond laser. The optical waveguide 15a is flexible as a material such as an optical fiber and transmits a laser beam generated from the laser light source 20a to the rear end of the probe 50a. Since the micromoving device 80a has the same configuration as the micromoving device 80 shown in FIG. 1, a detailed description thereof will be omitted. Since other configurations are the same as those of the embodiment of FIG. 1, detailed description thereof will be omitted.

이제, 도3과 도4를 참조하여 본 실시예의 작용을 상세히 설명한다. 도4에 도시된 바와 같이 도3에 도시된 패터닝 장치(10a)는 먼저 프로브(50a)의 선단에 마련된 개구부(도시되지 않음)를 통해 레이저빔을 가공물(100a)에 조사한다. 이 단계는 레이저 광원(20a)으로부터 발생한 레이저빔이 유연한 광도파로(15a)를 따라 프로브(50a)의 후단으로 전송되고, 레이저빔은 프로브(50a)의 선단에 마련된 레이저빔의 파장보다 작은 직경의 개구부(도시되지 않음)를 통해 가공물(100a)로 조사된다.3 and 4, the operation of this embodiment will be described in detail. As shown in FIG. 4, the patterning apparatus 10a shown in FIG. 3 first irradiates the workpiece 100a with a laser beam through an opening (not shown) provided at the tip of the probe 50a. In this step, the laser beam generated from the laser light source 20a is transmitted along the flexible optical waveguide 15a to the rear end of the probe 50a, and the laser beam has a diameter smaller than the wavelength of the laser beam provided at the tip of the probe 50a. Irradiated to the workpiece 100a through an opening (not shown).

다음에는 도4에 도시된 바와 같이 도3에 도시된 프로브(50a)의 선단과 가공물(100a) 사이의 거리가 수십nm가 되도록 근접시킨다. 이 단계는 다음과 같이 수행된다. 미세이동장치(80a)의 거리유지부는 프로브(50a)가 장착된 진동감지기(60a)를 z축 방향을 따라 이동시켜 프로브(50a)의 선단이 가공물(100a)에 가까워지도록 한다. 이때, 진동감지기(60a)는 프로브(50a)의 진동상태를 측정한다. 이 측정값을 이용하여 미세이동장치(80a)의 거리유지부는 프로브(50)의 선단과 가공물(100)의 거리가 수십nm가 되도록 프로브(50a)를 z축 방향을 따라 미세하게 이동시킨다.Next, as shown in FIG. 4, the distance between the tip of the probe 50a and the workpiece 100a shown in FIG. 3 is approached to several tens of nm. This step is performed as follows. The distance maintaining part of the micromoving device 80a moves the vibration sensor 60a on which the probe 50a is mounted along the z-axis direction so that the tip of the probe 50a approaches the workpiece 100a. At this time, the vibration sensor 60a measures the vibration state of the probe 50a. Using this measurement value, the distance holding part of the micromigration device 80a moves the probe 50a finely along the z-axis direction so that the distance between the tip of the probe 50 and the workpiece 100 is several tens of nm.

다음 도4에 도시된 바와 같이 도3에 도시된 가공물(100)에 패턴을 형성한다. 이 단계는 미세이동장치(80a)의 스캐너부가 프로브(50a)를 x-y 평면상에서 이동시킴으로써 수행된다. 프로브(50a)가 x-y 평면을 이동할 때 가공물(100a)과 프로브(50a)의 선단 사이의 거리는 진동감지기(60a)와 미세이동장치(80a)의 거리유지부에 의해 수십nm를 계속 유지된다. 이때, 가공물(100a)로부터 반사된 레이저빔은 점선으로 도시된 바와 같이 제1 광검출기(90a)를 통해 검출된다. 만일 가공물(100a)이 바이오물질과 같이 투과성인 경우 가공물을 통과한 레이저빔이 제2 광검출기(91a)를 통해 검출된다. 제1 광검출기(90a) 또는 제2 광검출기(91a)를 통해 레이저빔에 의해 패터닝 공정이 수행됨과 동시에 가공물의 지형 정보가 추출된다.Next, as shown in FIG. 4, a pattern is formed on the workpiece 100 shown in FIG. 3. This step is performed by moving the probe 50a of the micromigration device 80a on the x-y plane. When the probe 50a moves in the x-y plane, the distance between the workpiece 100a and the tip of the probe 50a is maintained for several tens of nm by the distance maintaining part of the vibration detector 60a and the micromigration device 80a. At this time, the laser beam reflected from the workpiece 100a is detected through the first photodetector 90a as shown by the dotted line. If the workpiece 100a is transparent, such as a biomaterial, the laser beam passing through the workpiece is detected through the second photodetector 91a. The patterning process is performed by the laser beam through the first photodetector 90a or the second photodetector 91a and the topographic information of the workpiece is extracted.

상기 실시예에서는 프로브(50a)의 선단과 가공물(100a) 사이의 거리가 일정하게 유지되도록 하는 거리유지부가 프로브(50a)를 평면이동시키는 스캐너부와 함께 일체로 형성되는 것으로 설명하였다. 그러나 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 거리유지부는 가공물(100a)을 z축 방향을 따라 이동시키도록 구성될 수도 있음을 당업자라면 이해할 수 있을 것이다.In the above embodiment, the distance maintaining part for maintaining a constant distance between the tip of the probe 50a and the workpiece 100a is described as being integrally formed together with the scanner part for planarly moving the probe 50a. However, the present invention is not limited thereto. It will be understood by those skilled in the art that the distance maintaining part may be configured to move the workpiece 100a along the z-axis direction.

상기 제1, 제2 실시예에서는 프로브의 진동감지기로서 튜닝포크를 사용하는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 가공물과 프로브 선단의 거리에 따라 프로브에 작용하는 힘을 변화를 측정할 수 있는 것이라면 모두 사용될 수 있다.In the first and second embodiments, the tuning fork is used as the vibration sensor of the probe, but the present invention is not limited thereto. Any force that can measure a change in the force acting on the probe according to the distance between the workpiece and the probe tip can be used.

본 발명의 구성을 따르면 앞서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는 근접장의 환경 하에서 패터닝 공정이 이루어지므로 종래의 원격장을 이용하는 패터닝보다 정밀한 패터닝이 가능하다. 이러한 미세한 패턴 제작이 가능하게 됨으로써 고밀도 광기록 기술의 개발이 실현될 수 있다. 또한, 가공물을 이동하며 패터을 형성하는 경우에 팸토초 레이저를 사용할 수 있으므로 열영향 확대부를 최소화함으로써 고정밀도의 패터닝을 수행할 수 있다. 그리고 가공물은 고정된 상태에서 프로브가 이동하며 패터닝이 수행될 수 있으므로 바이오물질과 같이 진동에 취약한 물질에 대한 공정에 적합하다. 또한 정밀한 패터닝 공정을 수행함과 동시에 패턴이 형성되는 가공물의 지형 정보를 함께 추출할 수 있다.According to the configuration of the present invention can achieve all the objects of the present invention described above. Specifically, since the patterning process is performed in the near field environment, more precise patterning is possible than the patterning using a conventional remote field. By making such a fine pattern, development of a high density optical recording technology can be realized. In addition, since the femtosecond laser can be used to form the pattern while moving the workpiece, it is possible to perform high-precision patterning by minimizing the thermal effect expansion. In addition, since the workpiece moves in a fixed state and the patterning may be performed, the workpiece is suitable for a process for vibration-sensitive materials such as biomaterials. In addition, while performing a precise patterning process, it is possible to extract the topographic information of the workpiece in which the pattern is formed.

이상 본 발명을 상기 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것이 아니다. 당업자라면, 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정, 변경을 할 수 있으며 이러한 수정과 변경 또한 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.Although the present invention has been described with reference to the above embodiments, the present invention is not limited thereto. Those skilled in the art will appreciate that modifications and variations can be made without departing from the spirit and scope of the present invention and that such modifications and variations also fall within the present invention.

도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 패터닝 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면1 shows a schematic configuration of a laser patterning apparatus according to a first embodiment of the present invention.

도2는 도1의 레이저 패터닝 장치를 이용한 패터닝 과정을 도시한 순서도2 is a flowchart illustrating a patterning process using the laser patterning apparatus of FIG.

도3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 패터닝 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면3 shows a schematic configuration of a laser patterning apparatus according to a second embodiment of the present invention;

도4는 도3의 레이저 패터닝 장치를 이용한 패터닝 과정을 도시한 순서도4 is a flowchart illustrating a patterning process using the laser patterning apparatus of FIG.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

10 : 레이저 패터닝 장치 15 : 광도파로10 laser patterning device 15 optical waveguide

20 : 레이저 광원 40 : 집광렌즈20: laser light source 40: condenser lens

50 : 프로브 60 : 진동감지기50: probe 60: vibration detector

80 : 미세이동장치 90 : 제1 광검출기80: fine moving device 90: first photodetector

91 : 제2 광검출기91: second photodetector

Claims

In the patterning apparatus which forms a pattern in a workpiece with a laser beam,

A laser light source for generating a laser beam,

A probe having a tip close to the workpiece and having an opening having a diameter smaller than the wavelength of the laser beam generated from the laser light source;

A vibration sensor for measuring a vibration state of the probe that changes according to a distance between the tip of the probe and the workpiece;

A scanner unit for moving the workpiece or the probe in a plane substantially perpendicular to the laser beam irradiated from the opening of the probe;

And a distance maintaining part for moving the probe or the workpiece in accordance with the signal of the vibration sensor so that the distance between the tip of the probe and the workpiece is kept constant.

And a laser beam transmitted from the laser light source passes through the opening of the probe and irradiates the workpiece.

The laser patterning apparatus of claim 1, further comprising a condenser lens configured to focus and transmit the laser beam generated by the laser light source to the probe, wherein the scanner unit moves the workpiece in a planar manner.

The laser patterning apparatus of claim 2, wherein the laser light source is a femtosecond laser.

The laser patterning apparatus of claim 1, further comprising an optical waveguide configured to transmit the laser beam generated by the laser light source to the probe, wherein the scanner moves the probe in a plane direction.

The laser patterning apparatus of claim 1, wherein the vibration sensor is a tuning fork.

6. The laser patterning device of any one of claims 1 to 5, further comprising at least one photodetector arranged to detect a laser beam reflected from or passed through the workpiece.

7. The laser patterning device of claim 6, wherein the photodetector is an avalanche photodiode.

A method of patterning a laser beam by irradiating the workpiece,

Irradiating a laser beam to the workpiece through the opening of the probe having a tip having an opening having a diameter smaller than the wavelength of the laser beam;

Laser patterning, comprising: forming a pattern on the workpiece by keeping the proximal end of the probe and the workpiece in close proximity and planarly moving the workpiece or probe in a direction generally perpendicular to the laser beam irradiated from the opening of the probe Way.

The laser patterning method of claim 8, wherein the vibration state of the probe that changes according to the distance between the tip of the probe and the workpiece is measured to maintain a proximal state of the tip of the probe and the workpiece.

The method of claim 8, further comprising detecting a laser beam reflected from or passed through the workpiece.

The method of claim 8, further comprising focusing a laser beam onto the probe.

The method of claim 8, further comprising transmitting a laser beam to the probe through an optical waveguide.