KR20070078702A

KR20070078702A - 미세 구조체의 제조 방법, 제조 장치, 및 디바이스

Info

Publication number: KR20070078702A
Application number: KR1020070007449A
Authority: KR
Inventors: 준 아마코
Original assignee: 세이코 엡슨 가부시키가이샤
Priority date: 2006-01-27
Filing date: 2007-01-24
Publication date: 2007-08-01
Also published as: JP4483793B2; CN101007367A; JP2007196277A; US20070177116A1

Abstract

본 발명은 원하는 미세 패턴을 높은 스루풋(throughput)에 의해 양호한 재현성(再現性)으로 피(被)가공체의 표면 또는 내부에 형성하는 것이 가능한 미세 구조체의 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명의 미세 구조체의 제조 방법은 입사(入射) 레이저 빔을 회절(回折) 광학 소자를 사용하여 복수의 회절 빔으로 분기(分岐)시키는 공정과, 상기 분기시킨 복수의 회절 빔을 텔레센트릭 렌즈(telecentric lens)에 의해 집광(集光)하여 서로 평행한 회절 빔으로 하는 공정과, 상기 서로 평행으로 된 각 회절 빔을 복수의 액시콘(axicon)이 어레이(array) 형상으로 배치되어 이루어지는 액시콘 집합체에 각 회절 빔의 중심과 각 액시콘의 중심이 일치하도록 면 수직으로 입사시켜, 복수의 어레이 형상의 베셀 빔(Bessel beam)을 형성하는 공정과, 상기 복수의 어레이 형상의 베셀 빔을 피가공체에 조사(照射)하는 공정을 포함한다.

회절 광학 소자, 텔레센트릭 렌즈, 액시콘 집합체, 베셀 빔

Description

미세 구조체의 제조 방법, 제조 장치, 및 디바이스{METHOD AND APPARATUS FOR MANUFACTURING MICROSTRUCTURE AND DEVICE MANUFACTURED THEREBY}

도 1은 본 발명의 실시예의 미세 구조체의 제조 장치(10)를 나타내는 도면.

도 2는 본 발명의 실시예에 사용되는 회절(回折) 광학 소자(14)의 릴리프(relief) 구조를 나타내는 도면.

도 3은 본 발명의 실시예에 사용되는 회절형 액시콘(axicon)(6)의 릴리프 구조를 나타내는 도면.

도 4는 액시콘 집합체(16)의 외관 사진의 일부를 나타내는 도면.

도 5는 실시예 1에 따른 것으로서, (a)는 가공 구멍의 SEM 화상이고, (b)는 가공점의 다른 위치에 대하여 얻어진 구멍의 평균 구멍 직경을 나타내는 그래프.

도 6은 실시예 2에 따른 것으로서, 마이크로렌즈 어레이의 금형(金型)의 제조 프로세스를 나타내는 도면.

도 7은 실시예 2에 따른 것으로서, (a)는 제작된 몰드(43)의 SEM 화상이며, (b)는 마이크로렌즈 어레이의 SEM 화상이다.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 미세 구조체의 제조 장치 14 : 회절 광학 소자

15 : 텔레센트릭 렌즈 6 : 회절형 액시콘

16 : 액시콘 집합체 21 : 4분의 1 파장판

본 발명은 미세 구조체의 제조 방법, 제조 장치, 및 이것에 의해 얻어지는 디바이스에 관한 것으로서, 특히, 원하는 미세 패턴을 높은 스루풋(throughput)에 의해 양호한 재현성으로 피(被)가공체의 표면 또는 내부에 형성하는 것이 가능한 미세 구조체의 제조 방법, 제조 장치, 및 이것에 의해 얻어지는 디바이스에 관한 것이다.

베셀 빔(Bessel beam)은 집광(集光) 심도가 깊어, 피가공체의 표면에 요동이나 두께 불균일이 있는 바와 같은 가공점이 깊이 방향으로 변위하는 상황에 있어서도 재현성이 양호한 가공을 할 수 있고, 또한 두꺼운 투명 소재의 내부를 한번으로 가공할 수 있기 때문에, 베셀 빔을 이용한 레이저 미세 가공 기술에 대한 관심이 높아지고 있다.

베셀 빔을 이용한 미세 가공은 예를 들어 리어 프로젝션(rear projection) TV 등에 이용되는 대화면 스크린의 제조 프로세스에 대한 적용이 검토되고 있다.

예를 들어 베셀 빔을 이용하여 금속 박막을 가공하는 방법이 제안되어 있다(예를 들어 특허문헌 1 참조).

[특허문헌 1] 일본국 공개특허2005-153013호 공보

그러나, 종래의 가공 방법은 1개의 베셀 빔을 이용하여 가공하고 있기 때문에, 가공 스루풋이 낮아 넓은 영역을 가공할 경우에는 많은 시간(수 일∼수 십일)을 필요로 한다. 이와 같이 저(低)스루풋이기 때문에, 적당한 가공 용도가 발견되지 않고 가공 기술이 보급되어 있지 않다.

스루풋을 향상시키기 위해서, 편광 분리 소자를 사용하여 베셀 빔을 분기(分岐)시켜 2개의 베셀 빔을 얻어, 2개의 빔에 의해 가공하는 것도 이론적으로 가능하다.

그러나, 2개의 베셀 빔을 서로 평행하게 전파시키는 것이 편광 분리 소자의 제작상 곤란하기 때문에, 피가공체의 표면에 요동이나 두께 불균일이 있어 가공점이 상하로 변위할 경우에는, 가공점이 좌우로도 변위하게 되어 가공 정밀도를 유지할 수 없다는 문제가 있다.

또한, 편광 분리 소자를 사용하여 베셀 빔을 분기시키면, 얻어지는 2개의 베셀 빔은 각각 S편광과 P편광으로 되어 편광 상태가 서로 다르기 때문에, 균일한 가공을 행할 수 없어 가공 구멍의 형상 등이 서로 다른 결과가 되게 된다.

그래서, 본 발명은 피가공체의 소재·물성(物性)의 영향을 받지 않고 원하는 미세 패턴을 높은 스루풋에 의해 양호한 재현성으로 피가공체의 표면 또는 내부에 형성하는 것이 가능한 미세 구조체의 제조 방법 및 제조 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 우수한 미세 구조체의 제조 방법에 의해 얻어지는 디바이스를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자는, 예의(銳意) 검토한 결과, 입사(入射) 레이저 빔을 회절 광학 소자를 사용하여 복수의 회절 빔으로 분기(分岐)시키는 공정과, 상기 분기시킨 복수의 회절 빔을 텔레센트릭 렌즈에 의해 집광(集光)하여 서로 평행한 회절 빔으로 하는 공정과, 상기 서로 평행으로 된 각 회절 빔을 복수의 액시콘(axicon)이 어레이(array) 형상으로 배치되어 이루어지는 액시콘 집합체에 각 회절 빔의 중심과 각 액시콘의 중심이 일치하도록 면 수직으로 입사시켜, 복수의 어레이 형상의 베셀 빔(Bessel beam)을 형성하는 공정과, 상기 복수의 어레이 형상의 베셀 빔을 피(被)가공체에 조사(照射)하는 공정을 포함하는 미세 구조체의 제조 방법을 채용함으로써, 원하는 미세 패턴을 높은 스루풋(throughput)에 의해 양호한 재현성으로 실현할 수 있는 것을 발견하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

즉, 본 발명은 (1) 입사 레이저 빔을 회절 광학 소자를 사용하여 복수의 회절 빔으로 분기시키는 공정과, 상기 분기시킨 복수의 회절 빔을 텔레센트릭 렌즈에 의해 집광하여 서로 평행한 회절 빔으로 하는 공정과, 상기 서로 평행으로 된 각 회절 빔을 복수의 액시콘이 어레이 형상으로 배치되어 이루어지는 액시콘 집합체에 각 회절 빔의 중심과 각 액시콘의 중심이 일치하도록 면 수직으로 입사시켜, 복수의 어레이 형상의 베셀 빔을 형성하는 공정과, 상기 복수의 어레이 형상의 베셀 빔을 피가공체에 조사하는 공정을 포함하는 미세 구조체의 제조 방법; (2) 상기 입사 레이저 빔은 원편광(圓偏光)인 상기 (1)에 기재된 미세 구조체의 제조 방법; (3) 입사 레이저 빔을 복수의 회절 빔으로 분기시키는 회절 광학 소자와, 상기 분기시 킨 복수의 회절 빔을 집광하여 서로 평행한 회절 빔으로 하는 텔레센트릭 렌즈와, 복수의 액시콘이 어레이 형상으로 배치되어 이루어지는 액시콘 집합체를 포함하는 미세 구조체의 제조 장치; (4) 상기 액시콘은 회절형 액시콘인 상기 (3)에 기재된 미세 구조체의 제조 장치; (5) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 미세 구조체의 제조 방법에 의해 제조되는 디바이스를 제공한다.

본 발명에 있어서, 「텔레센트릭 렌즈」는, 주(主)광선이 초점을 통과하도록 배치된 광학계로서, 주광선이 광축에 대하여 평행한 렌즈이다.

「액시콘」은, 점광원(點光源)으로부터 광축을 따라 존재하는 선상(線像)을 형성하는 광학계로서, 초점거리를 갖지 않는 렌즈이다.

「베셀 빔」은, 비회절성 빔으로서, 집광 심도가 깊다는 특징을 갖는다.

다음으로, 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다. 이하의 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 예시이며, 본 발명을 이 실시예에만 한정하는 취지는 아니다. 본 발명은 그 요지를 일탈하지 않는 한 다양한 형태로 실시할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.

(미세 구조체의 제조 장치)

본 발명의 실시예의 미세 구조체의 제조 장치(10)를 도 1에 모식적으로 나타낸다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 미세 구조체의 제조 장치(10)는 4분의 1 파장판(21)과, 입사 레이저 빔을 복수의 회절 빔으로 분기시키는 회절 광학 소자(14)와, 분기시킨 복수의 회절 빔을 집광하여 서로 평행한 회절 빔으로 하는 텔레센트릭 렌 즈(15)와, 복수의 회절형 액시콘(6)이 어레이 형상으로 배치되어 구성되는 액시콘 집합체(16)를 구비한다.

본 실시예에 있어서, 가공 광원으로서는 펄스 폭이 10㎱ 이하의 펄스 레이저를 사용한다. 예를 들어 Q스위치 발진(發振)의 Nd:YAG 레이저로서, 파장이 532㎚, 평균 출력이 1W 이하(펄스 반복은 1㎑), 빔 직경이 6㎜φ 이하인 레이저를 사용한다.

도 2에 본 실시예에 사용되는 회절 광학 소자(14)의 릴리프(relief) 구조를 나타낸다.

회절 광학 소자(14)는 도 2에 나타낸 바와 같은 소정의 갭(gap)이 있는 2개의 레벨을 갖는 이중(binary) 구조체를 1주기 s로 하고, 이것을 복수 구비하여 표면 형상이 주기적 구조를 이루고 있다. 회절 광학 소자(14)는 레이저 묘화(描畵)와 이온 에칭에 의해 석영 기판 상에 제작된다.

또한, 회절 광학 소자(14)는 이중 구조에 한정되지 않으며, 예를 들어 표면 형상이 sin(cosine) 곡면 형상을 이루는 주기적 구조를 이루고 있을 수도 있고, 또는, 외관이 편평하며 내부의 굴절률이 주기적으로 분포하는 주기적 구조를 이루고 있을 수도 있다.

도 3에 본 실시예에 사용되는 회절형 액시콘(6)의 릴리프 구조를 나타낸다.

회절형 액시콘(6)은 도 3에 나타낸 바와 같은 블레이즈 타입(blaze type)으로서, 그 주기 d는 예를 들어 5.0㎛, 릴리프의 높이 h는 1180㎚이다. 회절형 액시콘(6)은 레이저 묘화와 이온 에칭에 의해 석영 기판 상에 제작된다.

도 4에 복수의 액시콘이 어레이 형상으로 배치된 액시콘 집합체(16)의 외관 사진의 일부를 나타낸다.

또한, 본 발명에 있어서 「어레이 형상으로 배치」는, 본 실시예와 같은 각 액시콘(6)이 1차원 형상으로(일렬로) 배치된 경우 외에 2차원 형상으로(매트릭스 형상으로) 배치된 경우도 포함하는 의미이다.

또한, 복수의 액시콘의 어레이 형상 배치 형태는 규칙적인 배치에 한정되지 않는다.

(미세 구조체의 제조 방법)

도 1에 나타낸 바와 같이, 입사 레이저 빔은 4분의 1 파장판(21)을 통과하여 원편광으로 되고, 회절 광학 소자(14)에 의해 강도가 서로 동등한 3개의 회절 빔으로 분기된다.

이어서, 분기된 3개의 회절 빔은 텔레센트릭 렌즈(15)에 의해 집광 또한 편향되어 서로 평행한 회절 빔으로 된다.

또한, 서로 평행으로 된 3개의 회절 빔을 3개의 회절형 액시콘(6)이 어레이 형상으로 배치되어 이루어지는 액시콘 집합체(16)에 각 회절 빔의 중심과 각 회절형 액시콘(6)의 중심이 일치하도록 면 수직으로 입사시킴으로써, 각 빔은 각 회절형 액시콘(6)에 의해 회절되어, 빔 전파 축 상에 3개의 베셀 빔을 어레이 형상으로 형성한다.

그리고, 얻어진 3개의 어레이 형상의 베셀 빔을, 예를 들어 유리 기판상(31) 위에 Cr막(32)이 형성된 피가공체에 조사하여 가공함으로써, 원하는 미세 구조체가 얻어진다.

도 1의 미세 구조체의 제조 장치(10)에 있어서, 회절형 액시콘(6)에 입사되는 서로 평행한 회절 빔의 간격 Δ 은 이하의 식에 의해 주어진다.

Δ = f1λ/P

(식 중, f1은 텔레센트릭 렌즈(15)의 집광 거리, λ은 레이저 빔의 파장, P는 회절 광학 소자(14)의 주기이다.)

예를 들어 f1=100㎜, λ=532㎚, P=26.6㎛인 경우, 회절 빔의 간격 Δ은 2.0㎜로 된다. 따라서, 이 간격 Δ으로 회절형 액시콘(6)을 배치하여 액시콘 집합체(16)을 구성하면, 회절 빔의 중심과 액시콘의 중심을 일치시킬 수 있다.

또한, 얻어지는 베셀 빔의 폭 w는 이하의 식에 의해 주어진다.

w=0.77d

(식 중, d는 회절형 액시콘의 주기이다.)

예를 들어 d=5.0㎛인 경우, 베셀 빔의 폭 w는 3.85㎛으로 된다.

또한, 집광 심도를 피크 강도의 90% 이상을 부여하는 깊이로 정의하면, 베셀 빔의 집광 심도는 6㎜ 정도이다.

또한, 도 1의 미세 구조체의 제조 장치(10)에 있어서, 예를 들어 텔레센트릭 렌즈(15)의 집광 거리 f1은 100㎜, 회절형 액시콘(6)의 집광 거리 f2는 10㎜이다.

이와 같이, f1과 f2가 f1/f2≥10의 관계에 있는 적절한 구성으로 함으로써, 회절형 액시콘(6)으로 입사되는 빔이 갖는 파면곡률(wavefront curvature)의 영향을 거의 받지 않아, 양호한 축 상 강도 분포를 갖는 베셀 빔이 형성된다.

또한, 도 1에 있어서는, 회절 광학 소자(14)에 의해 3개의 회절 빔으로 분기시키고, 또한, 3개의 회절형 액시콘(6)이 어레이 형상으로 배치된 액시콘 집합체(16)를 사용할 경우에 대해서 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 회절 광학 소자(14)의 분기 수 및 액시콘 집합체(16)를 구비하는 회절형 액시콘(6)의 수를 변화시킴으로써, 보다 다수(예를 들어 13개)의 어레이 형상의 베셀 빔을 이용한 가공을 행할 수도 있다.

또한, 회절형 액시콘(6)을 1차원 형상으로 배치하여 1차원 형상의 어레이 형상 베셀 빔을 얻어 가공하는 경우에 한정되지 않아, 회절형 액시콘(6)을 2차원 형상(매트릭스 형상)으로 배치하여 2차원의 어레이 형상 베셀 빔을 얻어 가공할 수도 있다.

「어레이 형상 」은, 규칙적인 패턴을 갖는 것에 한정되지 않는다.

또한, 상기 실시예에서는 레이저 파장에 대하여 불투명한 소재의 표면으로 미소 구멍을 형성하는 경우에 대해서 설명했지만, 레이저 파장에 대하여 투명한 소재의 내부로 미세 구조를 형성하는 경우에도 본 발명은 적용할 수 있다.

본 발명의 레이저 가공 방법에 의하면, 어레이화된 베셀 빔을 이용함으로써, 종래보다도 상당히 높은 스루풋에 의해 가공을 행하는 것이 가능해진다.

(실시예 1)

도 5에 상기 미세 구조체의 제조 방법을 이용한 미소 구멍의 가공예를 나타낸다. 도 5의 (a)는 베셀 빔을 이용한 가공에 의해 얻어진 직경 2㎛ 이하의 구멍의 SEM 화상이며, 도 5의 (b)는 가공점의 다른 위치(상하의 변위)에 대하여 얻어진 구멍의 평균 구멍 직경을 나타낸 그래프이다. 본 실시예에서의 피가공체는, 도 1에 나타나 있는 피가공체와 동일하게 유리 기판(31) 위에 형성된 Cr막(32)이다.

도 5의 (b)에 나타낸 바와 같이, 가공점이 상하로 ±1㎜ 이상 변위한 경우에도 양호한 재현성으로 구멍이 가공되는 것을 알 수 있다.

(실시예 2)

도 6에 상기 미세 구조체의 제조 방법을 이용한 마이크로렌즈 어레이의 금형(metal mold)의 제조 프로세스를 모식적으로 나타낸다.

도 6의 (a)에 나타낸 바와 같이, 처음에 9개의 어레이화된 베셀 빔을 이용하여 대형 유리 기판(41)(1m×1m 이하) 위의 금속막(42)에 미소 구멍을 어레이 형상으로 뚫었다. 이어서, 도 6의 (b)에 나타낸 바와 같이, 화학 에칭에 의해 상기 미소 구멍을 통하여 유리 기판(41)을 가공하고, 또한 도 6의 (c)에 나타낸 바와 같이, 금속막(42)을 제거함으로써, 유리 기판 상에 렌즈 어레이의 몰드(43)를 형성하였다.

이와 같이 하여 제작된 몰드(43)를 사용하여, 열전사나 2P법(Photo Polymerization)에 의해 마이크로렌즈 어레이를 성형하였다.

도 7의 (a)에 제작된 몰드(43)의 SEM 화상을 나타내고, 도 7의 (b)에 얻어진 마이크로렌즈 어레이의 SEM 화상을 나타낸다.

얻어진 마이크로렌즈 어레이를 구성하는 각 렌즈의 표면 형상은 구면(球面), 종횡(縱橫)의 간격은 72㎛×54㎛, 깊이는 76㎛이었다.

(응용예)

본 발명의 미세 구조체의 제조 방법은 펀칭, 절단, 접합 등과 같은 미세 가공에 이용할 수 있어, 미세 구조 패턴의 형성이 필요하게 되는 다양한 디바이스의 제조에 유용하다.

예를 들어 본 발명의 미세 구조체의 제조 방법에 의해 얻어지는 마이크로렌즈 어레이는 리어 프로젝션 TV 등에 이용되는 대화면 스크린으로서 응용할 수 있는 것 외에, 마이크로렌즈 어레이로서, 스테퍼(stepper) 노광(露光) 장치나 액정 프로젝터에서 사용되는 호모지나이저(homogenizer)(광 강도 분포를 평탄화하기 위한 광학 소자)로서도 응용할 수 있다.

또한, 본 발명의 미세 구조체의 제조 방법에 의해 얻어지는 유리 내부로 유로(流路)(가늘고 긴 관통 구멍)가 형성된 디바이스는 화학 미량 분석에 이용되는 검사 디바이스로서 응용할 수 있다.

본 발명의 미세 구조체의 제조 방법에 의하면, 피가공체의 소재·물성의 영향을 받지 않고, 원하는 미세 패턴을 높은 스루풋에 의해 양호한 재현성으로 피가공체의 표면 또는 내부에 형성할 수 있다. 베셀 빔을 고정밀도에서 어레이 형상으로 발생시키고, 이것에 의해 가공하기 때문에, 동일한 편광 상태를 갖는 복수의 베셀 빔에 의해 동시에 복수 개소를 가공할 수 있다.

또한, 본 발명의 미세 구조체의 제조 장치는 자동 초점 기구를 필요로 하지 않기 때문에, 장치 구성이 간편하고 안정적이다.

Claims

입사(入射) 레이저 빔을 회절 광학 소자를 사용하여 복수의 회절 빔으로 분기(分岐)시키는 공정과,

상기 분기시킨 복수의 회절 빔을 텔레센트릭 렌즈(telecentric lens)에 의해 집광(集光)하여 서로 평행한 회절 빔으로 하는 공정과,

상기 서로 평행으로 된 각 회절 빔을 복수의 액시콘(axicon)이 어레이(array) 형상으로 배치되어 이루어지는 액시콘 집합체에 각 회절 빔의 중심과 각 액시콘의 중심이 일치하도록 면 수직으로 입사시켜, 복수의 어레이 형상의 베셀 빔(Bessel beam)을 형성하는 공정과,

상기 복수의 어레이 형상의 베셀 빔을 피(被)가공체에 조사(照射)하는 공정을 포함하는 미세 구조체의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 입사 레이저 빔은 원편광(圓偏光)인 미세 구조체의 제조 방법.
입사 레이저 빔을 복수의 회절 빔으로 분기시키는 회절 광학 소자와,

상기 분기시킨 복수의 회절 빔을 집광하여 서로 평행한 회절 빔으로 하는 텔레센트릭 렌즈와,

복수의 액시콘이 어레이 형상으로 배치되어 이루어지는 액시콘 집합체를 포 함하는 미세 구조체의 제조 장치.
제 3 항에 있어서,

상기 액시콘은 회절형 액시콘인 미세 구조체의 제조 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 미세 구조체의 제조 방법에 의해 제조되는 디바이스.