KR100331802B1 - method for fabricating subminiature solid immersion lens and apparatus for record/playback of optical information using the lens - Google Patents
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Abstract
본 발명은 양산성에 적합한 초소형 솔리드 이머션 렌즈 및 그의 제조 방법을 제공함을 목적으로 한 것으로, 기판의 양측에 제 1 및 제 2 식각 마스크용 박막을 형성하는 단계, 상기 제 1 식각 마스크용 박막에 식각용 구멍을 패터닝하여 형성하고 이 식각용 구멍을 사용하는 등방식각으로 렌즈의 틀을 형성하는 단계, 상기 제 1 식각 마스크용 박막을 제거한 후 상기 렌즈의 틀을 포함한 기판 전면에 렌즈 형성용 유리를 증착하는 단계, 상기 증착된 유리를 평탄화 하는 단계, 상기 제 2 식각 마스크용 박막에 포토리소그래피 공정을 이용 식각용 창을 형성하는 단계, 상기 평탄화된 유리를 렌즈부분만 남기고 제거하여 렌즈를 형성한 후 상기 식각용 창을 이용한 기판의 식각으로 상기 렌즈를 일체화하여 지지하기 위한 렌즈 프레임을 형성하는 단계를 포함하는 초소형 솔리드 이머션 렌즈의 제조방법과, 이와 같이 제조된 초소형 솔리드 이머션 렌즈를 결합한 광정보 기록/재생 장치가 제공된다.An object of the present invention is to provide an ultra-small solid immersion lens suitable for mass production and a method of manufacturing the same, forming a thin film for first and second etching masks on both sides of a substrate, and etching the thin film for first etching mask. Forming a lens hole at an isometric angle using the etching hole, removing the first etching mask thin film, and then depositing lens forming glass on the entire surface of the substrate including the lens frame. And forming a window for etching using the photolithography process on the second etching mask thin film, removing the flattened glass leaving only a lens portion to form a lens. And forming a lens frame to integrally support the lens by etching the substrate using an etching window. A compact solid immersion lens and method of manufacturing the illustration, thus combining the manufacture of very small solid immersion lens optical information recording / reproducing apparatus is provided.
Description
본 발명은 고밀도 정보 기록 장치에 사용되는 미세 광학계에 관한 것으로, 특히 입력광의 회절 한계를 극복할 수 있는 초소형 솔리드 이머션 렌즈(Solid Immersion Lens : SIL) 제조 방법 및 이 렌즈를 이용한 광정보 기록/재생 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a micro-optical system used in a high-density information recording apparatus, and in particular, to a method for manufacturing an ultra-small solid immersion lens (SIL) capable of overcoming the diffraction limit of input light and an optical information recording / reproducing using the lens. Relates to a device.
최근 멀티미디어 기술의 급속한 발달은 정보 저장 장치의 대용량화, 고속화 정보저장 밀도당 단가의 저렴화 등에 힘입은 바 크다.The recent rapid development of multimedia technology is largely attributed to the increase in the capacity of information storage devices and the speed of the cost per information storage density.
개인용 컴퓨터의 성능 향상과 인터넷 등 데이터 통신의 급속한 보급, VOD(Video on Demand), 고품위 텔레비젼의 출현 등은 동화상, 음성신호를 포함한 대량의 데이터를 실시간으로 처리할 수 있는 대용량 정보 저장 매체의 필요성을 더욱 강하게 요구하고 있다.The improvement of personal computer performance, the rapid spread of data communication such as the Internet, VOD (Video on Demand), and the emergence of high-quality television have led to the necessity of mass information storage media capable of processing a large amount of data in real time, including moving images and audio signals. Stronger demands.
HDD(Hard Disk Drive)의 저장 밀도 및 용량을 증대시킴으로써 고밀도 정보장치의 실현을 위한 자기 저장 장치(Magnetic Storage) 상품들이 선보이고 있으나, 자기 저장 방식의 경우 기록밀도가 자화될 수 있는 물질의 입자 크기에 의해 제한되므로 평방 인치당 10기가 바이트 이상을 실현하는 것이 상당히 어렵다고 알려져 있다.Magnetic storage products have been introduced for the realization of high density information devices by increasing the storage density and capacity of HDD (Hard Disk Drive) .However, in the case of the magnetic storage method, the recording density depends on the particle size of the material that can be magnetized. It is known that it is quite difficult to realize more than 10 gigabytes per square inch because of the limitation.
광정보 저장장치는 그 원리상 고밀도의 정보 용량을 실현할 수 있는 잠재성으로 인해 최근 활발히 연구 개발이 진전되고 있는 추세이다.Optical information storage devices have recently been actively researched and developed due to the potential to realize high density information capacity.
즉, 광학 방식의 정보 저장 장치는 빠른 응답 속도, 비접촉식 픽업 및 간편한 휴대성 등의 장점을 갖고 있으며, 무엇보다 데이터 밀도가 기록/재생을 위한 레이저 광원의 파장범위 까지 고밀도화 할 수 있다는 장점이 있다.That is, the optical information storage device has advantages such as fast response speed, non-contact pickup and easy portability, and above all, the data density can be increased to the wavelength range of the laser light source for recording / reproducing.
광정보 저장장치의 데이터 밀도는 입력 광원의 회절한계(Diffraction Limit)에 의해 제한되며, 이러한 관계는 다음의 수학식 1과 같이 표현된다.The data density of the optical information storage device is limited by the diffraction limit of the input light source, and this relationship is expressed by Equation 1 below.
여기서 d는 입력되는 레이저 광의 스폿(Spot) 크기, λ는 정보저장 매체에 조사되는 입력광의 파장, NA는 개구율(또는 수차 : Numerical Aperture)로서, 일반적인 광학계 렌즈는 0.5-0.7 정도 값을 갖는다.Where d is the spot size of the input laser light, λ is the wavelength of the input light irradiated onto the information storage medium, NA is the aperture ratio (or aberration: Numerical Aperture), and a typical optical lens has a value of about 0.5-0.7.
상기 수학식 1에서 d로 표시되는 입력 레이저 광의 초점 크기에 의해 식별할 수 있는 1개 데이터의 기하학적 최소 크기가 결정된다.The geometric minimum size of one data discernible is determined by the focal size of the input laser light represented by d in Equation 1 above.
따라서 판별할 수 있는 데이터의 크기는 대략 입력 레이저 광의 파장 정도로 데이터 기록 밀도의 상한이 된다.Therefore, the size of the data that can be determined becomes an upper limit of the data recording density at approximately the wavelength of the input laser light.
이 한계는 광의 회절 성질로부터 기인하며, 상기 수학식 1에 나타낸 바와 같이, 데이터 비트 크기를 줄이기 위해서는 보다 단파장의 입력 광을 쓰거나 광학계의 수차를 증가시킴으로서 입력 광 회절한계를 극복할 수 있는 것을 알 수 있으며, 이와 같은 기술로서는 솔리드 이머션 렌즈(Solid Immersion Lens)를 이용하는 방법이 알려져 있다.This limit is due to the diffraction property of the light, and as shown in Equation 1, it can be seen that the input light diffraction limit can be overcome by reducing the data bit size by using shorter wavelength input light or increasing the aberration of the optical system. As such a technique, a method using a solid immersion lens is known.
종래의 솔리드 이머션 렌즈는 높은 굴절률을 갖는 유리 덩어리를 화학적으로 식각한 후 반구(Hemisphere) 혹은 초반구(Super-Hemisphere) 형상으로 폴리싱하여 렌즈를 제작하고 이 렌즈를 일정한 두께를 갖는 유리판에 접착한 후 이를 프레임에 붙여 사용하도록 하였다.Conventional solid immersion lenses chemically etch a glass mass having a high refractive index, polish it to a hemisphere or a super- hemisphere shape, manufacture a lens, and attach the lens to a glass plate having a constant thickness. After that, it was attached to the frame and used.
그러나 종래의 솔리드 이머션 렌즈의 제조 방법은 제조 과정이 매우 복잡할 뿐만 아니라 대량생산에 적합하지 않으며, 초소형 경량화하기가 어렵다는 문제점이 있었다.However, the manufacturing method of the conventional solid immersion lens has a problem that the manufacturing process is not only very complicated, but also not suitable for mass production, and it is difficult to make the ultra-light weight.
따라서 본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 발명한 것으로, 본 발명의 목적은 양산성에 적합한 초소형 솔리드 이머션 렌즈 및 그의 제조 방법을 제공하는데 있다.Therefore, the present invention has been invented in view of the above problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide an ultra-small solid immersion lens suitable for mass production and a manufacturing method thereof.
본 발명의 다른 목적은 프레임에 집적하여 일체형으로 제작함으로써 조립 공정이 단순화된 초소형 솔리드 이머션 렌즈 제조 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing an ultra-small solid immersion lens in which the assembly process is simplified by integrating the frame into an integrated body.
본 발명의 또 하나의 다른 목적은 초소형 솔리드 이머션 렌즈를 설치한 광정보 기록/재생 장치를 제공하는데 있다.Yet another object of the present invention is to provide an optical information recording / reproducing apparatus provided with an ultra-small solid immersion lens.
도 1A ~ 도 1I는 본 발명의 제조방법에 따른 각 공정에서의 초소형 솔리드 이머션 렌즈의 단면을 나타낸 도면,1A to 1I are cross-sectional views of the ultra-small solid immersion lens in each process according to the manufacturing method of the present invention;
도 2A는 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 초소형 솔리드 이머션 렌즈의 사시도,2A is a perspective view of an ultra-small solid immersion lens manufactured by the manufacturing method of the present invention;
도 2B는 본 발명의 선형 액튜에이터가 결합된 초소형 솔리드 이머션 렌즈의 사시도2B is a perspective view of an ultra-small solid immersion lens incorporating a linear actuator of the present invention.
도 2C는 도 2B의 단면도2C is a cross-sectional view of FIG. 2B
도 2D는 본 발명에 따른 초소형 솔리드 이머션 렌즈에서 광디스크에 입력 광을 정밀히 집속시키는 과정을 개략적으로 도시한 단면도,2D is a cross-sectional view schematically illustrating a process of precisely focusing input light onto an optical disc in the ultra-small solid immersion lens according to the present invention;
도 3은 본 발명의 초소형 솔리드 이머션 렌즈를 이용한 광정보 기록/재생 장치를 나타낸 도면이다.3 is a view showing an optical information recording / reproducing apparatus using the ultra-small solid immersion lens of the present invention.
주요도면부호의 부호설명Explanation of Codes of Main Drawing Codes
20 : 기판 21,22 : 식각마스크용 박막20: substrate 21,22: etch mask thin film
23 : 식각 구멍 25 : 렌즈 형성물질23 etching hole 25 lens forming material
26 : 렌즈용 물질층 27 : 식각창26 material layer for the lens 27 etching window
28 : 솔리드 이머션 렌즈 29 : 제 1 프레임 영역28: solid immersion lens 29: first frame area
30 ; 제 2 프레임 영역 31 : 선형 액튜에이터30; Second frame region 31: linear actuator
32 : 슬라이더 33,50 : 광디스크32: slider 33,50: optical disc
40 : 레이저광원 41 : 시준렌즈40: laser light source 41: collimation lens
42 : 광분할기 43,44,48 : 집속렌즈42: light splitter 43,44,48: focusing lens
45 : 광감지소자 46 : 45°미러마운트45: photosensitive device 46: 45 ° mirror mount
47 : 미러47 mirror
이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 초소형 솔리드 이머션 렌즈의 제조방법은 기판의 양측에 제 1 및 제 2 식각 마스크용 박막을 형성하는 단계, 상기 제 1 식각 마스크용 박막에 식각용 구멍을 패터닝하여 형성하고 이 식각용 구멍을 사용하여 등방식각으로 렌즈의 틀을 형성하는 단계, 상기 제 1 식각 마스크용 박막을 제거한 후 상기 렌즈의 틀을 포함한 기판 전면에 렌즈 형성용 물질을 증착하는 단계, 상기 증착된 렌즈층을 평탄화 하는 단계, 상기 제 2 식각 마스크용 박막에 포토리소그래피 공정을 이용하여 식각용 창을 형성하고 상기 평탄화된 렌즈물질을 렌즈부분만 남기고 제거하며, 렌즈를 형성한 후 상기 식각용 창을 이용한 기판의 식각으로 상기 렌즈를 일체화하여 지지하기 위한 렌즈 프레임을 형성하는 단계를 구비함을 특징으로 한다.In order to achieve the object of the present invention, a method of manufacturing an ultra-small solid immersion lens may include forming first and second etching mask thin films on both sides of a substrate, and patterning an etching hole in the first etching mask thin film. Forming a frame of the lens in an isotropic angle using the etching hole, removing the first etching mask thin film, and depositing a lens forming material on the entire surface of the substrate including the frame of the lens; Planarizing the deposited lens layer, forming an etch window on the second etch mask thin film using a photolithography process and removing the planarized lens material leaving only the lens portion, and forming a lens; And forming a lens frame for integrally supporting the lens by etching the substrate using a window. .
또한 본 발명의 다른 양태인 광정보 기록/재생 장치는 광을 평행광으로 변환하는 시준렌즈, 광을 분리하는 광분할기, 광을 집속하는 집속렌즈, 광경로를 변경하는 미러 및 광정보를 감지하는 광감지 소자를 구비하여 입력광원을 광디스크에 집속하여 정보를 기록함과 동시에 기록된 정보를 재생하는 광정보 기록/재생 장치에 있어서, 상기 광 디스크의 최적 위치에 정렬하도록 입력되는 광을 조절함과 동시에 회절한계를 극복할 수 있도록 입력되는 광을 정밀히 집속하여 광디스크에 조사하는 프레임 일체형의 초소형 솔리드 이머션 렌즈를 포함함을 특징으로 한다.In addition, an optical information recording / reproducing apparatus according to another aspect of the present invention includes a collimating lens for converting light into parallel light, a light splitter for separating light, a focusing lens for focusing light, a mirror for changing an optical path, and a sensing light information. An optical information recording / reproducing apparatus comprising an optical sensing element for focusing an input light source onto an optical disk to record information and reproducing the recorded information, wherein the inputted light is adjusted to align with an optimal position of the optical disk. It is characterized in that it comprises a frame-integrated ultra-small solid immersion lens to precisely focus the input light to overcome the diffraction limit to irradiate the optical disk.
이와 같은 본 발명에 따르면 반도체의 일괄 제조공정과 마이크로 머시닝 기술을 통하여 제조되므로 제품의 양산성, 소형화, 경량화 및 집적화를 구현할 수 있다.According to the present invention, since the semiconductor is manufactured through a batch manufacturing process and a micromachining technology, mass production, miniaturization, light weight, and integration of a product can be realized.
이하 첨부 도면에 근거하여 본 발명의 실시예를 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the Example of this invention is described based on an accompanying drawing.
도 1A~도 1I는 본 발명에 따른 초소형 솔리드 이머션 렌즈의 각 제조공정에 있어서의 단면을 개략적으로 도시한 것으로서, 본 발명의 제조방법은 먼저, 도 1A에 도시된 바와 같이 실리콘 기판(20)의 앞 뒤면에 각각 식각 마스크용 박막(21,22)을 형성한다.1A to 1I schematically illustrate a cross section in each manufacturing process of the ultra-small solid immersion lens according to the present invention, and the manufacturing method of the present invention first includes a silicon substrate 20 as shown in FIG. 1A. Etch mask thin films 21 and 22 are respectively formed on the front and back surfaces of the substrate.
이때 실리콘 마스크용 박막(21,22)은 식각 방법에 따라 실리콘 질화막, 금속박막, 산화막, 감광막 및 폴리이미드 같은 폴리머 등의 다양한 물질이 사용될 수 있고 박막의 형성도 증착, 도포 또는 산화막 형성 등의 방식을 이용할 수 있다.In this case, the silicon mask thin films 21 and 22 may be formed of various materials, such as a silicon nitride film, a metal thin film, an oxide film, a photoresist film, and a polymer such as polyimide, depending on an etching method. Can be used.
다음, 도 1B에 도시된 바와 같이 실리콘 기판(20)의 앞면에 형성된 식각 마스크용 박막(21)에 등방식각을 수행하기 위한 식각 구멍(23)을 포토리소그래피 공정을 이용하여 패터닝한다.Next, as shown in FIG. 1B, an etching hole 23 for performing an isotropic angle on the etching mask thin film 21 formed on the front surface of the silicon substrate 20 is patterned by using a photolithography process.
이때 식각 구멍(23)은 원형이 바람직하며, 식각 구멍의 직경 크기에 따라 구현되는 반구형 솔리드 이머션 렌즈의 반경이 결정된다.At this time, the etching hole 23 is preferably circular, and the radius of the hemispherical solid immersion lens implemented according to the diameter size of the etching hole is determined.
그 후, 도 1C에 도시된 바와 같이, 상기 마스크용 박막의 식각 구멍(23)을 통하여 등방식각을 행하여 반구형 렌즈 형상의 틀(24)을 형성한다.Thereafter, as shown in FIG. 1C, an isotropic angle is formed through the etching hole 23 of the thin film for mask to form a hemispherical lens-shaped frame 24.
등방식각은 질산(HNO3)/불산(HF)/초산(CH3COOH) 혼합용액을 이용하는 습식 식각을 통하여 구현할 수도 있고, XeF2나 BrF3등의 불소계 기체로 식각할 수도 있으며, SF6기체를 이용한 등방플라즈마 식각으로 구현할 수도 있다.The isotropic angle can be achieved by wet etching using a mixture of nitric acid (HNO 3 ) / hydrofluoric acid (HF) / acetic acid (CH 3 COOH), or can be etched with a fluorine-based gas such as XeF 2 or BrF 3 , or SF 6 gas. It can also be implemented by isotropic plasma etching using.
그 다음 도 1D에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(20)의 앞면의 식각 마스크용 박막(21)을 제거하고 등방식각으로 형성된 반구형 렌즈 형상의 틀(24)이 완전히 채워지도록 실리콘 기판(20)의 앞면 전체에 높은 굴절율의 렌즈 형성물질(25)을 증착한다.Next, as shown in FIG. 1D, the thin film 21 for etching mask on the front surface of the silicon substrate 20 is removed and the hemispherical lens-shaped mold 24 formed at an equiaxed angle is completely filled. A high refractive index lens forming material 25 is deposited on the entire front surface.
이때 높은 굴절율의 유리를 상기 틀에 채워지도록 실리콘 기판(20) 전면에 형성하는 방법은 액상으로 희석되어 있는 렌즈 물질을 스핀 캐스팅(Spin Casting) 또는 스핀 코팅(Spin Coating)의 방법으로 도포하고 소정의 열처리 과정을 거쳐 희석액(Solvent)을 제거하여 구현하는 스핀-온-글라스(Spin-on-Glass : SOG) 방법을 이용하거나, 또는 스퍼터링 방법으로 유리를 증착할 수 있다.At this time, the method of forming a high refractive index glass on the entire surface of the silicon substrate 20 to fill the mold is applied to the lens material diluted in liquid phase by spin casting or spin coating and The glass may be deposited by using a spin-on-glass (SOG) method, which is implemented by removing a diluent through heat treatment, or by sputtering.
이어 도 1E에 도시된 바와 같이, 상기 실리콘 기판(20) 전면에 증착된 렌즈물질을 에치백(Etch Back)하여 원하는 두께만큼 렌즈용 물질층(26)을 형성하도록 얇게 만들고 평탄화시킨다.As shown in FIG. 1E, the lens material deposited on the entire surface of the silicon substrate 20 is etched back to be thin and planarized to form the lens material layer 26 to a desired thickness.
이 에치백 공정은 화학적 식각과 기계적 연마가 동시에 진행되는 화학 기계 연마(Chemical Mechanical Polishing : CMP) 공정으로 가능하며 CMP 공정후 반구형의 솔리드 이머션 렌즈(SIL)상에 여분으로 남게되는 렌즈 물질층의 두께(K)를 필요에 따라 임의로 조절할 수 있다.This etch back process is possible by chemical mechanical polishing (CMP) process, which involves chemical etching and mechanical polishing at the same time, and after the CMP process, an extra layer of lens material remains on the hemispherical solid immersion lens (SIL). The thickness K can be arbitrarily adjusted as needed.
즉, 반구형상에서 여분으로 남게되는 렌즈용 물질층(26)의 두께를 적절히 조절하여 해상도를 조절한다.이때 렌즈의 반지름을 r 이라 두고, 렌즈용 물증층(26)의 두께를 K라고 했을때 K/r값이 해상도를 결정하게 되며, 이때 반구형의 K/r값보다 더 큰 K/r값을 갖는 것을 초 반구형이라 한다.이와 같이, 반구형 또는 초 반구형의 솔리드 이머션 렌즈를 구현하며, 이 솔리드 이머션 렌즈를 이용하여 수차가 없는 초점을 얻을 수 있다.이는 논문(Appl.Phys.Lett Vol.65.no.4,p.358,1994)에 상세히 설명되어 있으며 본 발명에서 그의 구체적인 설명은 생략한다.In other words, the thickness of the lens material layer 26 remaining in the hemispherical shape is appropriately adjusted to adjust the resolution. In this case, the radius of the lens is r and the thickness of the lens vapor layer 26 is K. The / r value determines the resolution, and a K / r value that is larger than the hemispherical K / r value is called an ultra hemispherical shape. Thus, it implements a hemispherical or ultra hemispherical solid immersion lens. Immersion lenses can be used to obtain aberration-free focus. This is described in detail in the paper (Appl. Phys. Lett Vol. 65.no. 4, p.358, 1994) and its detailed description is omitted in the present invention. do.
그 다음 도 1F에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(20)의 뒷면에 형성된 식각 마스크용 박막(22)을 패터닝하여 식각창(27)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 1F, the etching mask thin film 22 formed on the back surface of the silicon substrate 20 is patterned to form an etching window 27.
본 실시예에서는 식각 마스크용 박막(22)을 앞면의 식각 마스크용 박막(21)과 동시에 형성하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 이후 진행될 실리콘 식각 방식에 적절한 물질을 선택하여 형성할 수 있다.In the present embodiment, the etching mask thin film 22 is formed at the same time as the etching mask thin film 21 on the front surface, but is not limited thereto, and may be formed by selecting a material suitable for the silicon etching method to be performed later.
이어 도 1G에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(20)의 앞면에 형성된 렌즈용 물질층(26)을 포토리소그래피 공정을 이용하여 반구형 또는 초반구형의 솔리드 이머션 렌즈(28) 부분만을 남기고 제거한다.Subsequently, as shown in FIG. 1G, the lens material layer 26 formed on the front surface of the silicon substrate 20 is removed using a photolithography process, leaving only a portion of the hemispherical or hypersemi-solid solid immersion lens 28.
그후, 도 2H에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(20)의 뒷면에 형성된 식각창(27)을 이용한 실리콘 식각을 행하여 솔리드 이머션 렌즈를 일체형으로 지지하는 박판의 제 1 프레임 영역(29)을 형성하고, 상기 제 1 프레임 영역을 지지하는 제 2 프레임 영역을 형성한다.Thereafter, as illustrated in FIG. 2H, silicon etching is performed using an etching window 27 formed on the back surface of the silicon substrate 20 to form a first frame region 29 of a thin plate that integrally supports the solid immersion lens. A second frame region supporting the first frame region is formed.
이때 실리콘 식각은 필요에 따라 등방성 식각이나 이방성 식각을 임의로 선택하여 사용할 수 있으나, 실리콘 식각시 이미 형성된 솔리드 이머션 렌즈를 손상하지 않도록 실리콘과 솔리드 이머션 렌즈를 형성하는 물질간의 식각 선택도가 큰 식각제를 이용하여야 한다.At this time, the silicon etching may be used by arbitrarily selecting isotropic etching or anisotropic etching as necessary, but the etching selectivity between the silicon and the material forming the solid immersion lens is large so as not to damage the solid immersion lens formed during the silicon etching. Must be used.
예를 들면 XeF2기체를 이용한 실리콘 등방성 식각 방법은 렌즈를 형성하는 유리를 식각하지 않으면서도 실리콘을 선택적으로 식각하므로 바람직하다.For example, a silicon isotropic etching method using XeF 2 gas is preferable because the silicon is selectively etched without etching the glass forming the lens.
마지막으로 도 1I에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(20)의 뒷면에 형성된 식각마스크용 박막(22)을 제거한 후 각각의 솔리드 이머션 렌즈칩을 다이싱(Dicing)하면 프레임 일체형의 초소형 솔리드 이머션 렌즈가 완성된다.Finally, as shown in FIG. 1I, dicing each solid immersion lens chip after removing the etch mask thin film 22 formed on the back surface of the silicon substrate 20, the ultra-solid solid immersion of the frame type The lens is completed.
도 2A는 본 발명의 초소형 솔리드 이머션 렌즈의 사시도이고, 도 2B는 선형 액튜에이터가 결합된 초소형 솔리드 이머션 렌즈의 사시도이며, 도 2C는 도 2B의 단면을 나타내며, 도 2D는 본 발명에 따른 초소형 솔리드 이머션 렌즈에서 광디스크에 입력 광을 정밀히 집속시키는 과정을 개략적으로 나타낸 것이다.FIG. 2A is a perspective view of the ultra-small solid immersion lens of the present invention, FIG. 2B is a perspective view of the ultra-small solid immersion lens incorporating a linear actuator, FIG. 2C is a cross-sectional view of FIG. 2B, and FIG. In the solid immersion lens, the process of focusing input light precisely on an optical disk is shown.
본 발명의 초소형 솔리드 이머션 렌즈는 도 2A에 도시된 바와 같이, 초소형 솔리드 이머션 렌즈부(28)와, 상기 초소형 솔리드 이머션 렌즈부가 집적되어 일체형으로 지지된 박판 영역의 제 1 프레임 영역(29)과, 상기 제 1 프레임 영역(29)을 지지하는 제 2 프레임 영역(30)으로 구성되어 있다.As shown in FIG. 2A, the ultra-small solid immersion lens of the present invention includes the ultra-solid solid immersion lens portion 28 and the first frame region 29 of the thin plate region in which the micro solid immersion lens portion is integrally supported. ) And a second frame region 30 that supports the first frame region 29.
본 실시예에서는 제 2 프레임 영역(30)이 외팔보 형태로 형성되어 있으나 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 부착되어야 하는 슬라이더의 형태에 따라 자유로이 형태를 가공할 수 있다.In the present embodiment, the second frame region 30 is formed in a cantilever shape, but the present invention is not limited thereto, and the shape may be freely processed according to the shape of the slider to be attached.
상기와 같이 박판 형태의 제 1 프레임 영역(29)에 비하여 제 2 프레임 영역(30)이 두꺼운 실리콘 지지부로 구성되어 있기 때문에 조립 등의 과정에서 취급하는데 편리하게 된다.As described above, since the second frame region 30 is formed of a thick silicon support portion as compared to the first frame region 29 having a thin plate shape, the second frame region 30 is convenient to handle during assembly or the like.
그리고 도 2B 및 도 2C에 도시되어 있는 바와 같이 선형으로 구동되는 선형 액튜에이터(31)가 솔리드 이머션 렌즈 칩을 고정하는 슬라이더(32)와 제 2 프레임 영역(30)의 일측 사이에 결합되어 있다.2B and 2C, a linear actuator 31 that is linearly driven is coupled between the slider 32 that holds the solid immersion lens chip and one side of the second frame region 30.
이 선형 액튜에이터(31)는 적층된 PZT 등의 압전 액튜에이터(Piezoelectric Actuator) 등을 이용할 수 있으며, 이와 같은 선형 액튜에이터를 설치함으로써 솔리드 이머션 렌즈의 선형 구동에 의하여 픽업용 광학계의 조립과정에서 파생되는 광축의 미세한 정렬오차를 능동적으로 보정할 수 있게 되어 보다 개선된 광신호를 얻을 수 있게 된다.The linear actuator 31 may use a stacked piezoelectric actuator such as PZT, or the like, and by installing such a linear actuator, an optical axis derived from the assembly process of the pickup optical system by linear driving of the solid immersion lens. It is possible to actively correct the fine alignment error of the to obtain a more improved optical signal.
즉, 선형 액튜에이터(31)에 전압이 인가되면 압전효과에 의하여 액튜에이터(31)가 도 2C에 도시된 화살표 방향으로 이동하게 되고 이에 따라 솔리드 이머션 렌즈(28)도 상기 화살표 방향으로 이동하게 되어 상술한 광축의 미세한 정렬 오차를 인가전압에 따라 보정할 수 있게 된다.That is, when a voltage is applied to the linear actuator 31, the actuator 31 moves in the direction of the arrow shown in FIG. 2C due to the piezoelectric effect, and thus the solid immersion lens 28 also moves in the direction of the arrow. The fine alignment error of one optical axis can be corrected according to the applied voltage.
또한 입력광축 자체가 미세 위치 조절을 갖는 시스템의 경우에는 광축의 변위에 대응하여 솔리드 이머션 렌즈의 변위를 동기화 하도록 함으로써 고밀도 광정보장치에 요구되는 초미세 트레킹(Nano-Tracking)기능을 구현할 수 있다.In addition, in the case of a system in which the input optical axis itself has a fine position control, the ultra-tracking function required for a high density optical information device can be realized by synchronizing the displacement of the solid immersion lens in response to the displacement of the optical axis. .
그리고 도 2B의 실시예는 1개축(X축)만을 구동하는 방식을 모식적으로 예시하고 있으나 선형 구동기를 직교하는 다른 방향(Y,Z축)에도 결합하여 3축 구동이 가능한 초소형 솔리드 이머션 렌즈를 구현할 수 있다.In addition, although the embodiment of FIG. 2B schematically illustrates a method of driving only one axis (X axis), the ultra-small solid immersion lens capable of three-axis driving by being coupled to other directions (Y and Z axes) orthogonal to the linear driver is also provided. Can be implemented.
그리고 본 발명에 따른 초소형 솔리드 이머션 렌즈는 도 2D에 도시된 바와 같이 솔리드 이머션 렌즈를 결합한 광학계의 초점 크기는 입력 레이저광(A)이 도시된 바와 같이 굴절된 후 광정보 저장 디스크(33)에 입사되므로 솔리드 이머션 렌즈없이 일반적인 광학계의 대물렌즈만으로 얻을 수 있는 초점크기에 비하여 솔리드 이머션 렌즈 물질의 굴절율(Nsil)의 제곱만큼 축소되며, 이때 광정보를 기록/재생한 디스크의 거리(δ)를 입력되는 레이저 광의 파장 λ보다 충분히 가깝게 하면 솔리드 이머션 렌즈를 통해 축소된 레이저 빔 초점 크기 정도의 1비트 데이터를 변별할 수 있게 된다.In addition, as shown in FIG. 2D, the ultra-sized solid immersion lens according to the present invention has the focal size of the optical system incorporating the solid immersion lens after the input laser light A is refracted as shown in the optical information storage disk 33. Since it is incident on, it is reduced by the square of the refractive index (N sil ) of the solid immersion lens material, compared to the focal size obtained by the objective lens of the general optical system without the solid immersion lens, and the distance of the disk on which the optical information is recorded / reproduced ( When δ) is sufficiently close to the wavelength λ of the input laser light, it is possible to discriminate 1-bit data of the size of the reduced laser beam focus through the solid immersion lens.
따라서 종래의 광학계로 구성되는 광정보 저장장치의 단위 비트의 기하학적 크기를 축소시킬 수 있으므로 높은 밀도의 광정보 기록/재생이 가능하게 된다.Therefore, since the geometric size of the unit bit of the optical information storage device composed of the conventional optical system can be reduced, high density optical information recording / reproducing is possible.
도 3은 본 발명의 프레임 일체형의 초소형 솔리드 이머션 렌즈를 결합한 광픽업 장치를 나타낸 것으로, 입력 레이저 광원(40)과, 시준렌즈(41), 광분할기(42), 집속렌즈(43,44,48), 45°미러마운트(46)에 부착한 미러(47) 및 광감지장치(45)를 구비하여 구성되는 광정보 기록/재생 장치에 있어서, 상기 집속렌즈(48)로부터 입력되는 레이저 광을 조절하여 입력 레이져 광을 광디스크(50)의 최적 위치에 정렬되게 조사됨과 동시에 회절한계를 극복할 수 있도록 정밀히 집속하여 광디스크에 조사하는 프레임 일체형의 초소형 솔리드 이머션 렌즈부(49)로 구성되어 있으며, 상기 초소형 솔리드 이머션 렌즈(49)는 도 2A ~ 도 2C에 도시된 렌즈 중의 하나이다.3 shows an optical pickup apparatus incorporating a frame-integrated ultra-small solid immersion lens of the present invention, wherein the input laser light source 40, collimation lens 41, light splitter 42, focusing lenses 43, 44, 48), an optical information recording / reproducing apparatus comprising a mirror 47 attached to a 45 ° mirror mount 46 and an optical sensing device 45, wherein the laser light input from the focusing lens 48 It is composed of a frame-integrated ultra-small solid immersion lens unit 49 to adjust the input laser light to be aligned at the optimum position of the optical disk 50 by adjusting and to precisely focus and irradiate the optical disk to overcome the diffraction limit. The ultra-small solid immersion lens 49 is one of the lenses shown in Figs. 2A to 2C.
이와 같은 본 발명에 따른 초소형 솔리드 이머션 렌즈가 장착되는 고밀도 광정보 기록/재생 장치의 광픽업 장치에 따르면, 입력 레이저 광원(40)으로부터 조사된 레이저빔은 광픽업용 슬라이더 상에 조립되거나 집적된 일련의 시준렌즈(41)를 통하여 평행광으로 변환되고 이 평행광은 광분할기(42), 집속렌즈(43)를 거쳐 슬라이드에 고정된 45°미러마운트(46)상에 부착되어 있는 미러(47)에 의해 광디스크(50)의 표면에 수직으로 입사하도록 광의 방향이 변환되고 이 변화된 레이저 광은 집속렌즈(48)를 경유하여 프레임 일체형의 솔리드 초소형 이머션 렌즈부(49)에 조사되어 입력광의 회절한계를 극복하도록 정밀히 집속되며 이와 같이 정밀히 집속된 레이저 광은 광디스크(50)의 표면에 조사된다.According to the optical pickup apparatus of the high density optical information recording / reproducing apparatus equipped with the ultra-small solid immersion lens according to the present invention, the laser beam irradiated from the input laser light source 40 is assembled or integrated on the optical pickup slider. It is converted into parallel light through a series of collimating lenses 41 and the parallel light is attached to a 45 ° mirror mount 46 fixed to the slide via a light splitter 42 and a focusing lens 43. The direction of the light is changed so as to be perpendicular to the surface of the optical disc 50 by means of), and the changed laser light is irradiated to the frame-integrated solid micro immersion lens unit 49 via the focusing lens 48 to diffract the input light. The laser light is precisely focused to overcome the limitation and the laser light focused precisely is irradiated onto the surface of the optical disc 50.
광디스크(50)에는 초소형 솔리드 이머션 렌즈부(49)로 집속된 레이저 광의 초점 크기 정도의 각 데이터 비트 위치에서 입력 광이 반사되며, 이때 반사되는 정도에 의해 입력 광이 조사된 위치에 저장되어 있는 데이터의 디지털 정보를 판별할 수 있게 된다.The optical disk 50 reflects the input light at each data bit position of the focal size of the laser light focused by the ultra-small solid immersion lens unit 49, and at this time, the input light is stored at the position irradiated with the reflected light. Digital information of data can be discriminated.
그리고 광 디스크(50)의 표면에서 반사된 광정보는 입력되는 광정보의 경로와 역방향으로 초소형 솔리드 이머션 렌즈부(49), 집속렌즈(48), 미러(47), 집속렌즈(43), 광분할기(42) 및 집속렌즈(44)를 경유하여 광신호를 감지하는 광감지소자(또는 광감지모듈)(45)에 집속되어 광디스크(50)에 저장되어 있는 데이터를 판별할 수 있게 된다.And the optical information reflected from the surface of the optical disk 50 is the ultra-small solid immersion lens unit 49, the focusing lens 48, the mirror 47, the focusing lens 43, in the reverse direction of the input optical information path Through the optical splitter 42 and the focusing lens 44, the data is focused on an optical sensing element (or optical sensing module) 45 that senses an optical signal, thereby determining data stored in the optical disk 50.
본 발명의 실시예에 따른 광감지소자(45)로는 포토다이오드 등을 사용할 수 있으며, 상술한 실시예는 고밀도 광디스크에 저장되어 있는 데이터를 읽는 경우이며, 광디스크에 정보를 기록하기 위해서는 광디스크의 정보기록 특성에 맞게 시스템을 구성할 수 있다.A photodiode or the like may be used as the optical sensing device 45 according to the embodiment of the present invention. The above-described embodiment is a case of reading data stored in a high density optical disk, and in order to record information on the optical disk, recording of information on the optical disk. You can configure the system to suit your characteristics.
즉, 광디스크 물질이 상변화형 광디스크의 경우 입력광원의 광세기를 높여 디스크상의 기록위치의 온도를 높여 상변화를 발생시킴으로써 데이터 기록이 가능하며, 이때에도 디스크상에 맺히는 초점의 크기가 솔리드 이머션 렌즈에 의해 입력광의 회절한계를 넘게 되므로 고밀도 정보기록이 가능하게 된다.That is, in the case of a phase change type optical disk, the optical disk material can record data by increasing the light intensity of the input light source to increase the temperature of the recording position on the disk to generate a phase change. In this case, the size of the focal point formed on the disk is solid immersion. Since the lens exceeds the diffraction limit of the input light, high density information recording becomes possible.
또한 광자기 디스크의 경우에 초소형 솔리드 이머션 렌즈칩과 결합된 자계 발생장치를 통하여 광자기 디스크에 정보를 기록할 수 있다.In addition, in the case of the magneto-optical disk, information can be recorded on the magneto-optical disk through a magnetic field generator coupled with the ultra-small solid immersion lens chip.
도 3에서 광디스크(50)와 초소형 솔리드 이머션 렌즈의 간격은 입력 레이저 광의 파장보다 작은 근접장(Near-field) 영역으로 유지되도록 하여 집속되는 초점의 크기를 축소시키게 되며, 이 간격은 유체 역학적으로 설계된 슬라이더의 플라잉 헤드(Flying Head)에 의해 일정하게 유지될 수 있다.In FIG. 3, the distance between the optical disk 50 and the ultra-small solid immersion lens is maintained in a near-field area smaller than the wavelength of the input laser light, thereby reducing the size of the focused focal point, which is a hydrodynamically designed It can be kept constant by the flying head of the slider.
이때 디스크 표면과 마주보는 초소형 솔리드 이머션 렌즈칩의 표면을 에어-베어링 서피스(Air-Bearing Surface)로 이동되도록 할 수 있다.At this time, the surface of the ultra-small solid immersion lens chip facing the disk surface can be moved to the air-bearing surface.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.The present invention has the following effects.
첫째, 본 발명의 초소형 솔리드 이머션 렌즈는 광학계의 회절한계를 극복하여 광학적으로 판별할 수 있는 형상의 크기를 대폭 줄임으로써 광정보 저장장치에 응용하여 고밀도 광저장장치를 구현할 수 있으며, 반도체의 일괄 제조공정과 마이크로 머시닝 기술을 통하여 제조되므로 제품의 양산성, 소형화, 경량화 및 집적화를 달성할 수 있다.First, the ultra-small solid immersion lens of the present invention can realize a high-density optical storage device by applying to the optical information storage device by significantly reducing the size of the optically discriminating shape by overcoming the diffraction limit of the optical system, Manufactured through the manufacturing process and micromachining technology, it is possible to achieve mass production, miniaturization, light weight and integration of the product.
둘째, 본 발명의 초소형 솔리드 이머션 렌즈는 선형 액튜에이터에 용이하게집적하거나 결합할 수 있으므로 능동형의 솔리드 이머션 렌즈 구현이 가능하며 이를 통하여 초미세 트래킹과 능동 광학계 정렬이 실현되므로 고밀도 저장장치의 신뢰성과 신호대 잡음비 등을 개선할 수 있다.Second, since the ultra-small solid immersion lens of the present invention can be easily integrated or combined with a linear actuator, an active solid immersion lens can be implemented, and through this, ultra-fine tracking and active optical system alignment are realized, so that the reliability of the high density storage device Signal-to-noise ratio can be improved.
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| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
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Payment date: 20080102 Year of fee payment: 7 |
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| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |