KR100504775B1 - 광 기록 및 재생장치의 고 굴절률 집속렌즈 및 그 제작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광 기록 및 재생장치의 고 굴절률 집속렌즈에 관한 것으로서, 입력 광원을 광 디스크에 집속하여 정보를 기록함과 동시에 기록된 정보를 재생하는 광 기록 및 재생장치용 집속렌즈에 있어서, 상기 집속렌즈는 플랜지부와, 상기 플랜지부의 일 측면에서 반구형으로 돌출 되어 입력된 광원을 집속하는 상측렌즈부와, 상기 플랜지부의 일 측면의 이면인 타측면에서 반구형으로 돌출 되어 입력된 광원을 집속하는 하측렌즈부가 구비되어 구성되고, 그 제작방법은 실리콘 형상틀의 일 측면에 다수개의 제1식각 마스크용 박막을 성막하는 제1단계와, 상기 제1식각 마스크용 박막에 하측렌즈부를 형성하기 위한 제1식각 마스크곡면을 형성하는 제2단계와, 상기 제1식각 마스크 곡면을 통해 비등방성 식각 공정을 실시하여 상기 형상틀의 일 측면에 상기 하측렌즈부 역상의 반구형홈이 형성되는 제3단계와, 상기 형상틀의 일 측면인 가공면 및 반구형홈 내면에 잔류된 제1식각 마스크용 박막을 제거하고, 상기 형상틀의 가공면을 포함한 반구형홈의 내면에 완충막을 도포하는 제4단계와, 상기 형상틀의 가공면을 포함한 반구형홈의 내면에 렌즈형성 물질을 증착하여 성장시키는 제5단계와, 상기 형상틀에 성장된 렌즈형성 물질을 평탄화 시켜 일정두께를 갖도록 형성시키는 제6단계와, 평탄화 된 상기 렌즈형성 물질의 표면에 제2식각 마스크용 박막을 성막하는 제7단계와, 상기 제2식각 마스크용 박막에 상측렌즈부를 형성하기 위한 제2식각 마스크 곡면을 형성하는 제8단계와, 상기 제2식각 마스크 곡면을 통해 비등방성 식각 공정을 실시하여 상기 렌즈형성 물질에 상측렌즈부를 형성시키는 제9단계와, 상기 렌즈형성 물질로부터 고 굴절률 집속렌즈를 분리하여 완성하는 제10단계를 반복 실시하여 고 굴절률 집속렌즈를 제작됨으로써, 소형화되고, 제작방법 또한 용이해지도록 한 것이다.

Description

광 기록 및 재생장치의 고 굴절률 집속렌즈 및 그 제작방법{HIGH REFRACTIVE INDEX IMMERSION LENS FOR OPTICAL RECORDING AND REPRODUCING SYSTEM AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 광 기록 및 재생장치의 고 굴절률 집속렌즈 및 그 제작방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 렌즈형성 물질로 집속렌즈를 제작하여 초점심도를 짧게 함으로써, 제품을 소형화할 수 있는 광 기록 및 재생장치의 고 굴절률 집속렌즈 및 그 제작방법에 관한 것이다.

광기록매체 또는 광자기기록매체는 비트(또는 기록마크) 사이즈가 소형화되어야 하고 트랙폭이 협소하게 되어야 고밀도 기록용량을 가질 수 있게되나, 기록매체의 기록막에 비트를 형성하기 위해 기록매체 상에 집광되는 광의 스폿크기는 회절한계에 의해 제약되기 때문에 기록밀도를 향상시키는데 한계가 있다.

정보의 대용량화 추세에 비추어 볼 때 기존의 광 기록 재생방식의 한계를 극복할 수 있는 새로운 광 기록 재생방식이 요구되고 있다.

최근에는 기록용량을 획기적으로 향상시킬 수 있을 것으로 예상되는 근접장(Near Field)을 이용한 근접장 광 기록 재생(Near Field Recording Reproduction)에 관한 연구가 증가되고 있다.

상기 근접장을 이용한 고밀도 광 기록 및 재생장치의 원리는 다음과 같다.

렌즈 내부로 임계각 이상의 각도를 갖고 입사하는 빛은 굴절률이 밀한 곳에서 소한 곳으로 진행할 때 빛이 전반사 된다.

이때, 빛의 전반사에 의해서 렌즈의 표면에는 아주 미세한 세기의 광이 존재하게 되는데 이것을 에버네슨트 웨이브(Evanescent wave) 또는 소산파라고 한다.

상기 에버네슨트 웨이브를 이용하면, 기존의 원격장(Far-field)에서는 빛의 회절 현상 때문에 나타나는 분해능의 절대적인 한계, 즉 회절 한계 때문에 불가능했던 고분해능이 가능하게 된다.

상기 고밀도 광 기록 및 재생광학계는 렌즈 내에서 빛을 전반사시켜 렌즈 표면에 에버네슨트 웨이브를 발생시키고, 상기 에버네슨트 웨이브와 기록매체의 커플링에 의하여 기록 및 재생을 하게 된다.

도 1은 광 기록 및 재생장치에서 헤드 슬라이더에 장착된 광학계를 부분적으로 도시한 단면도로써, 도 1에 도시한 바와 같이 광 기록 및 재생장치는 반구형 솔리드 이머션 렌즈(SIL: Solid Immersion Lens)(12)와 집속렌즈(11)가 구비되어 구성된다.

상기 솔리드 이머션 렌즈(12)는 윗면은 구형이고 아래면은 평면인 반구형으로 되어 있으며, 상기 솔리드 이머션 렌즈(12)의 평면부 중심이 상기 집속렌즈(11)의 초점과 일치하도록 설치된다.

따라서, 상기 집속렌즈(11)에 입사된 빛(14)은 굴절되어 상기 솔리드 이머션 렌즈(12)의 아래쪽 평면부 중심에 모이게 된다.

상기 솔리드 이머션 렌즈(12)를 이용하여 디스크상에 데이터(비트)를 기록하기 위해서는, 도 1에 도시된 바와 같이 상기 솔리드 이머션 렌즈(12)를 매우 작은 간격, 예를 들면 10∼70nm 정도의 간격으로 기록매체(13) 표면에 근접시킨다.

이렇게 근접하게 되면, 상기 솔리드 이머션 렌즈(12) 아래면에 1차집광된 광 에너지의 일부가 기록매체로 전달되는 광근접장 현상이 발생한다.

이 근접장 현상에 의하여 기록매체 표면에 데이터를 기록하거나 재생하는 것이 가능하게 된다.

예를 들면, 상기 솔리드 이머션 렌즈(12)로부터 전달된 에너지는 기록매체 표면의 일부를 가열하여 국소적인 상변화를 일으킨다. 이러한 상변화를 이용하여 기록매체 표면에 비트가 형성된다. 즉, 정보를 기록하는 것이다.

기록된 정보를 읽을 때에는 국소적으로 상변화된 곳에서 반사율이 달라지는 특성을 이용한다.. 기록 때보다 낮은 세기의 광을 상기 솔리드 이머션 렌즈(12)를 통하여 입사시키고, 기록 매체 표면에서 반사되어 다시 상기 솔리드 이머션 렌즈(12)를 통하여 나오는 광의 세기를 광센서로 측정하면, 비트의 유무에 따라 반사율이 달라지므로 정보를 읽을 수 있다.

상기와 같은 고밀도 광 기록 기술중에서 공기 역학적인 부양력을 이용하는 고밀도 광학계를 탑재한 픽업헤드를 데이터가 기록된 상기 기록매체로부터 입력 레이저광의 파장보다 짧은 초 미세 간극을 유지하도록 하는 활주형 슬라이더 헤드가 제안되었다.

이와 같은 활주형 슬라이더 구조에 의한 고밀도 간극의 유지를 위해서는 유체역학적으로 안정적인 부양력을 활보할 수 있는 슬라이더의 구조가 매우 중요하다.

특히, 상기 집속렌즈 및 솔리드 이머션 렌즈를 장착해야 하는 고밀도 광 기록 및 재생장치의 픽업 헤드 슬라이더의 경우에는 기존의 자기 디스크 드라이브에 적용되던 슬라이더 구조에 비해 구조가 다소 복잡하며 전체적인 질량 역시 증가하게 된다.

이러한 픽업 슬라이더의 질량 증가는 임의의 정보가 기록된 데이터 트랙에 접근하는 속도를 현저하게 저하시키게 되므로, 고속의 정보 기록 및 재생을 저해하는 원인이 된다.

그러나 종래의 집속렌즈(11)는 도 1에 도시된 바와 같이 상기 집속렌즈(11)에서 집속된 빛이 상기 솔리드 이머션 렌즈(12)의 하측면에 모이는 초점심도가 일정 길이(h)를 갖아야 되므로, 전체 구조를 소형화하는데 한계가 있으며, 그 제조 과정도 매우 복잡한 문제점이 있다.

상기와 같은 점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 높은 굴절률을 가지면서도 전체 구조가 소형화되며 제조방법이 용이하게 되도록 한 광 기록 및 재생장치의 고 굴절률 집속렌즈 및 그 제작방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 입력 광원을 광 디스크에 집속하여 정보를 기록함과 동시에 기록된 정보를 재생하는 광 기록 및 재생장치용 집속렌즈에 있어서, 상기 집속렌즈는, 플랜지부와, 상기 플랜지부의 일 측면에서 반구형으로 돌출 되어 입력된 광원을 집속하는 상측렌즈부와, 상기 플랜지부의 일 측면의 이면인 타측면에서 반구형으로 돌출 되어 입력된 광원을 집속하는 하측렌즈부가 구비되어 구성되며, 상기 집속렌즈의 렌즈형성 물질은 갈륨 나이트라이드(GaN: Gallium Nitride), 또는 갈륨 포스파이드(GaP: Gallium Phosphide)인 것을 특징으로 하는 광 기록 및 재생장치의 고 굴절률 집속 렌즈가 제공된다.

또한 상기 광 기록 및 재생장치의 고 굴절률 집속렌즈는 실리콘 형상틀의 일 측면에 다수개의 제1식각 마스크용 박막을 성막하는 제1단계와, 상기 제1식각 마스크용 박막에 하측렌즈부를 형성하기 위한 제1식각 마스크곡면을 형성하는 제2단계와, 상기 제1식각 마스크 곡면을 통해 비등방성 식각 공정을 실시하여 상기 형상틀의 일 측면에 상기 하측렌즈부 역상의 반구형홈이 형성되는 제3단계와, 상기 형상틀의 일 측면인 가공면에 잔류된 제1식각 마스크용 박막을 제거하고, 상기 형상틀의 가공면을 포함한 반구형홈의 내면에 완충막을 도포하는 제4단계와, 상기 형상틀의 가공면을 포함한 반구형홈의 내면에 렌즈형성 물질을 증착하여 성장시키는 제5단계와, 상기 형상틀에 성장된 렌즈형성 물질을 평탄화 시켜 일정두께를 갖도록 형성시키는 제6단계와, 평탄화 된 상기 렌즈형성 물질의 표면에 제2식각 마스크용 박막을 성막하는 제7단계와, 상기 제2식각 마스크용 박막에 상측렌즈부를 형성하기 위한 제2식각 마스크 곡면을 형성하는 제8단계와, 상기 제2식각 마스크 곡면을 통해 비등방성 식각 공정을 실시하여 상기 렌즈형성 물질에 상측렌즈부를 형성시키는 제9단계와, 상기 렌즈형성 물질로부터 고 굴절률 집속렌즈를 분리하여 완성하는 제10단계를 반복 실시하여 제작된다.

이하 본 발명의 일 실시예인 광 기록 및 재생장치의 고 굴절률 집속렌즈 및 제작방법을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2에 도시한 바와 같이 본 발명의 일 실시예인 광 기록 및 재생장치는 반구형 솔리드 이머션 렌즈(12)와 집속렌즈(111)가 구비되고, 상기 솔리드 이머션 렌즈(12)의 평면부 중심이 상기 집속렌즈(111)의 초점과 일치하도록 설치되어 기록매체(13)에 근접하게 된다.

상기 집속렌즈(111)는 통상적인 고 굴절를을 가지는 렌즈형성 물질인 갈륨 나이트라이드(GaN: Gallium Nitride), 또는 갈륨 포스파이드(GaP: Gallium Phosphide)로 이루어지며, 그 형상은 플랜지부(112)와, 상기 플랜지부(112)의 일 측면에서 반구형으로 돌출 되어 입력된 광원을 집속하는 상측렌즈부(113)와, 상기 플랜지부(112)의 일 측면의 이면인 타측면에서 반구형으로 돌출 되어 입력된 광원을 집속하는 하측렌즈부(114)가 구비되어 구성된다.

상기와 같이 구성된 렌즈형성 물질로 이루어진 집속렌즈(111)의 굴절률이 종래 구조보다 커지면 동일한 두께의 집속렌즈(111)를 사용하더라도 동일한 입력광에 대해 종래 구조보다 짧은 초점심도(H)를 갖게 되므로 종래 구조보다 슬림한 광학계를 구성할 수 있다.

또한, 동일한 초점심도를 요구하는 광학계의 경우에도 얇은 두께의 집속렌즈를 적용할 수 있게됨으로써, 종래 구조보다 슬림한 광학계를 구성할 수 있다.

상기의 집속렌즈(111)의 가공공정은 다음과 같다.

우선 특정 곡면을 형성하고자 하는 형상틀 상에 식각 마스크용 박막을 적층하고, 이를 회색조 사진 묘화 기술(Gray tone lithography), 감광막 리플로우 기술 등을 이용하여 노광한 후 현상하여 특정 곡면을 형성하며, 이를 반응성 이온 식각(Reactive ion etching)등의 비등방석 식각(Anisotropic etching)을 이용하여 미리 형성된 곡면을 형상틀로 전사해간다.

이때, 식각의 단계별로 상기 식각 마스크용 박막 및 형상틀의 일정 부분이 식각되며, 식각되는 상기 식각 마스크용 박막과, 형상틀의 두께 비율은 식각 선택도가 된다.

즉, 상기 식각 마스크용 박막에 미리 형성된 곡면 및 상기 식각 선택도를 조절하면 원하는 곡면을 상기 형상틀 상면에 전사할 수 있으며, 그 제조공정을 차례로 정리하면 다음과 같다.

도 3에서 도 12까지는 본 발명의 일 실시예에 따른 집적렌즈의 각 제조공정에 있어서의 단면을 개략적으로 도시한 것으로써, 상기 광 기록 재생 장치의 집적렌즈 제조방법은 다음과 같다.

도 3에 도시한 바와 같이 우선 실리콘 형상틀(31)의 일 측면에 다수개의 제1식각 마스크용 박막(32)을 성막한다.

그리고, 도 4에 도시한 바와 같이 상기 제1식각 마스크용 박막(32)에 하측렌즈부(114)를 형성하기 위한 제1식각 마스크곡면(33)을 형성한다.

다음 도 5에 도시한 바와 같이 상기 제1식각 마스크 곡면(33)을 통해 비등방성 식각 공정을 실시하여 상기 형상틀(31)의 일 측면에 상기 하측렌즈부(114) 역상의 반구형홈(34)이 형성된다.

도 6에 도시한 바와 같이 상기 형상틀(31)의 일 측면인 가공면(31a) 및 반구형홈(134) 내면에 잔류된 제1식각 마스크용 박막(32)을 제거하고, 상기 형상틀(31)의 가공면을 포함한 반구형홈(34)의 내면에 완충막(35)을 도포한다.

이때, 상기 완충막(35)은 상기 형상틀(31)의 결정구조와 무관하게 렌즈형선 물질이 성장할 수 있도록 하는 알루미늄나이트라이드(AlN), 또는 산화아연(ZnO)으로 이루어진다.

다음 도 7에 도시한 바와 같이 상기 형상틀(31)의 가공면(31a)을 포함한 반구형홈(34)의 내면에 렌즈형성 물질(36)을 증착하여 성장시킨다.

다음 도 8에 도시한 바와 같이 상기 형상틀(31)에 성장된 렌즈형성 물질(36)을 평탄화 시켜 일정두께를 갖도록 형성시킨 후, 도 9에 도시한 바와 같이 평탄화 된 상기 렌즈형성 물질(36)의 표면(36a)에 제2식각 마스크용 박막(37)을 성막한다.

다음 도 10에 도시한 바와 같이 상기 제2식각 마스크용 박막(37)에 상측렌즈부(113)를 형성하기 위한 제2식각 마스크 곡면(38)을 형성한다.

다음 도 11에 도시한 바와 같이 상기 제2식각 마스크 곡면(38)을 통해 비등방성 식각 공정을 실시하여 상기 렌즈형성 물질(36)에 상측렌즈부(113)를 형성시킨 후, 도 12에 도시한 바와 같이 상기 렌즈형성 물질(36)로부터 고 굴절률 집속렌즈(111)를 분리하여 상측렌즈부(113), 플랜지부(112) 및 하측렌즈부(114)가 구비된 집속렌즈(111)를 완성한다.여기서 상기 상측렌즈(113)는 종래 기술의 집속렌즈(11)에 상당하는 것이고, 하측렌즈(114)는 종래 기술의 솔리드 이머션 렌즈(12)에 상당하는 것이다.

이와 같이 본 발명에 의한 광 기록 및 재생장치의 고 굴절률 집속렌즈는 렌즈 자체의 치수를 소형으로 가공할 수 있는 마이크로 머시닝 기술로 짧은 초점심도를 가능하게 하는 렌즈형성 물질을 고 굴절률 집속렌즈로 대량 제조할 수 있는 방법을 제공하고, 상기 집속렌즈가 적용된 광학계의 슬림화 및 경량화를 가능하게 한다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의한 광 기록 및 재생장치의 고 굴절률 집속렌즈 및 그 제작방법에 의하면, 종래 기술의 집속렌즈에 상당하는 상측렌즈와 종래 기술의 솔리드 이머션 렌즈에 상당하는 하측렌즈를 하나의 집속렌즈에 일체로 형성함으로써 전체적으로 보아 초점심도가 짧은 집속렌즈를 제공할 수 있게 되며, 광학계를 슬림화 할 수 있으며, 특히 고밀도 광학계의 슬라이더 헤드에 적용함으로써, 고밀도 광 픽업 슬라이더의 두께를 줄일 수 있으므로, 초소형 고밀도 광 기록 장치를 구성할 수 있게되는 효과가 있다.

또한, 슬라이더의 두께뿐만 아니라 집속렌즈 자체의 크기도 소형화 할 수 있으므로, 고밀도 광픽업 슬라이더의 중량을 크게 줄여 상기 슬라이더가 적용된 광 기록 장치의 탐색 속도를 대폭 증가시킬 수 있게되어 고속의 기록 및 재생이 가능하게 된다.

도 1은 일반적인 광 기록 및 재생장치에서 헤드 슬라이더에 장착된 광학계를 부분적으로 도시한 단면도,

도 2는 본 발명의 일 실시예인 광 기록 및 재생장치의 고 굴절률 집속렌즈를 도시한 사시도,

도 3에서 도 12까지는 본 발명의 일 실시예에 따른 고 굴절률 집속렌즈의 각 제조공정에 있어서의 단면을 개략적으로 도시한 단면도.

**도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명**

12 : 솔리드 이머션 렌즈 13 : 기록매체

31 : 형상틀 31a :가공면

32 : 제1식각 마스크용 박막 33 : 제1식각 마스크 곡면

34 : 반구형홈 35 : 완충막

36 : 렌즈형성 물질 37 : 제2식각 마스크용 박막

38 : 제2식각 마스크 곡면 111 : 집속렌즈

112 : 플랜지부 113 : 상측렌즈부

114 : 하측렌즈부

Claims (5)

1. 삭제
2. 입력 광원을 광 디스크에 집속하여 정보를 기록함과 동시에 기록된 정보를 재생하는 광 기록 및 재생장치용 집속렌즈에 있어서,

   상기 집속렌즈는,

   플랜지부와,

   상기 플랜지부의 일 측면에서 반구형으로 돌출 되어 입력된 광원을 집속하는 상측렌즈부와,

   상기 플랜지부의 일 측면의 이면인 타측면에서 반구형으로 돌출 되어 입력된 광원을 집속하는 하측렌즈부가 구비되어 구성되며,

   상기 집속렌즈의 렌즈형성 물질은 갈륨 나이트라이드(GaN: Gallium Nitride), 또는 갈륨 포스파이드(GaP: Gallium Phosphide)인 것을 특징으로 하는 광 기록 및 재생장치의 고 굴절률 집속 렌즈.
3. 실리콘 형상틀의 일 측면에 다수개의 제1식각 마스크용 박막을 성막하는 제1단계와,

   상기 제1식각 마스크용 박막에 하측렌즈부를 형성하기 위한 제1식각 마스크곡면을 형성하는 제2단계와,

   상기 제1식각 마스크 곡면을 통해 비등방성 식각 공정을 실시하여 상기 형상틀의 일 측면에 상기 하측렌즈부 역상의 반구형홈이 형성되는 제3단계와,

   상기 형상틀의 일 측면인 가공면 및 반구형홈 내면에 잔류된 제1식각 마스크용 박막을 제거하고, 상기 형상틀의 가공면을 포함한 반구형홈의 내면에 완충막을 도포하는 제4단계와,

   상기 형상틀의 가공면을 포함한 반구형홈의 내면에 렌즈형성 물질을 증착하여 성장시키는 제5단계와,

   상기 형상틀에 성장된 렌즈형성 물질을 평탄화 시켜 일정두께를 갖도록 형성시키는 제6단계와,

   평탄화 된 상기 렌즈형성 물질의 표면에 제2식각 마스크용 박막을 성막하는 제7단계와,

   상기 제2식각 마스크용 박막에 상측렌즈부를 형성하기 위한 제2식각 마스크 곡면을 형성하는 제8단계와,

   상기 제2식각 마스크 곡면을 통해 비등방성 식각 공정을 실시하여 상기 렌즈형성 물질에 상측렌즈부를 형성시키는 제9단계와,

   상기 렌즈형성 물질로부터 고 굴절률 집속렌즈를 분리하여 완성하는 제10단계를 반복 실시하여 고 굴절률 집속렌즈를 제작하는 것을 특징으로 하는 광 기록 및 재생장치의 고 굴절률 집속렌즈 제작방법.
4. 제 3항에 있어서, 상기 반구형홈은 상기 가공면에 등간격으로 다수개 형성되는 것을 특징으로 하는 광 기록 및 재생장치의 고 굴절률 집속렌즈 제작방법.
5. 제 3항에 있어서, 상기 완충막은 상기 형상틀의 결정구조와 무관하게 렌즈형성 물질이 성장할 수 있도록 하는 알루미늄나이트(AlN), 또는 산화아연(ZnO)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 기록 및 재생장치의 고 굴절률 집속렌즈 제작방법.