KR100629831B1

KR100629831B1 - 광디스크제조용원반을형성하는방법

Info

Publication number: KR100629831B1
Application number: KR1019980040254A
Authority: KR
Inventors: 미노루 다께다; 히사유끼 야마쯔; 모또히로 후루끼
Original assignee: 소니 가부시끼 가이샤
Priority date: 1997-09-29
Filing date: 1998-09-28
Publication date: 2007-03-02
Also published as: US6214528B1; MY129503A; KR19990030206A; JPH11102541A

Abstract

포토레지스트는 기판 상에 도포된다. 포토레지스트 도포 기판은 파장 300㎚ 이하의 레이저 빔에 노출되어 정보 신호의 표시인 잠상을 형성하고, 기판 상의 포토레지스트가 현상되어 정보 신호를 나타내는 피트(pit)들과 홈(groove)들 패턴을 형성한다. 포토레지스트는 레이저 빔에 노출되기 전후에 소광 계수들 사이에서 평균 0.1이하의 값을 가진다.

Description

광 디스크 제조용 원반을 형성하는 방법{METHOD OF FORMING MOTHER FOR USE IN OPTICAL DISC MANUFACTURE}

본 발명은 광 디스크를 성형하기 위하여 사용되는 소위 마스터(master)를 제작하기 위하여 소위 원반(mother)을 형성하는 방법에 관한 것이다.

광 디스크는 정보 신호들을 나타내는 피트들 및 홈(groove)들을 포함하는 매우 미세한 오목/볼록의 패턴이 형성된 투명한 기판, 기판 상에 제공되고 알루미늄 막 등과 같은 금속막으로 형성되는 반사층, 및 대기중의 습기 및 산소로부터 반사층을 보호하기 위하여 반사층 상에 제공된 보호층을 포함한다.

그런 광 디스크를 제작하기 위하여, 광 디스크가 고정밀 스탬퍼를 사용하여 높은 정확성을 가지고 즉각 복제될 수 있는 제조 공정이 요구된다.

상기 요구 사항을 충족시키기 위하여, 포토레지스트, 즉 감광성 수지가 유리 기판 상에 도포되고, 레이저 빔에 노출되어 정보 신호에 대응하는 잠상을 형성하고, 유리 기판 상의 포토레지스트는 현상되어 포토레지스트 내의 피트들 및 홈들의 패턴을 형성함으로써 원반이 제조된다. 피트/홈 패턴은 전기 주조법 또는 임의의 다른 적당한 방법에 의해 원반로부터 금속 기판의 표면 상에 전달된다. 그렇게 처리된 금속 기판이 스탬퍼로서 사용된다.

특히, 예를 들어, 약 수 밀리미터의 두께를 갖는 유리 기판은 0.1 - 0.2 ㎛의 스피너(spinner)에 의해 자외선-감응 포토레지스트로 표면 상에 균일하게 도포되어 포토레지스트 층이 제작된다. 다음으로, 유리 디스크가 회전하고 있는 동안, 유리 기판 상에 도포된 포토레지스트는 청색 또는 자외선 영역 근처에서 발생된 파장 350-460 ㎚의 Ar(이온) 레이저, Kr(이온) 레이저 등과 같은 레이저 빔의 스폿에 의해 노출되고 최종 광 디스크 상에 판독될 정보 신호에 대응하여 턴 온 및 턴 오프됨으로써 유리 기판 상에 잠상이 형성된다. 유리 기판 상의 포토레지스트는 포토레지스트 내에 피트와 홈 패턴을 완성하도록 현상되어 원반이 형성된다. 그런 다음, 피트들과 고어(gore)들 패턴은 니켈 도금에 의해 원반으로부터 금속 기판의 표면으로 전달된다. 이와 같이, 제조된 금속 기판은 스탬퍼로서 사용된다.

광 디스크 기판들은 스탬퍼에 의해 폴리카보네이트와 같은 열가소성 수지의 사출 성형을 통해 다량으로 복제될 수 있다.

광 디스크 내에 기록할 수 있는 정보의 양은 피트들 및 홈들이 디스크 내에 형성될 수 있는 밀도에 의존한다. 다시 말해서, 광 디스크 내에 기록할 수 있는 정보의 양은 포토레지스트가 포토레지스트 상에 형성된 잠상을 갖도록 레이저 빔에 노출되는 소위 절단 공정에 의해 얼마나 미세한 피트와 홈 패턴이 형성될 수 있는 지에 따라 결정된다.

예를 들어, 판독 전용 디지털 비디오 디스크(DVD-ROM)를 제조하기 위해 사용된 스탬퍼는 0.74㎛의 트랙 피치를 가지고 나선형으로 형성된 길이 0.4 ㎛의 최단 피트들을 포함하는 피트열을 가진다. 이러한 스탬퍼를 사용하여 제작된 직경 12 ㎝의 광 디스크는 한면 상에 4.7 GB의 저장 용량을 가진다.

파장 413㎚의 Kr 이온 레이저가 디지털 비디오 디스크를 절단하는데 사용된다. 디스크 내에 형성될 수 있는 최단 피트의 길이 P는 아래 관계식 (1)로부터 결정될 수 있다.

P = K(NA/λ) ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥(1)

여기서 λ는 레이저 빔의 파장이고, NA는 조리개수(numerical aperture)이고, K는 처리 팩터(사용된 포토레지스트의 특성에 의존하고 일반적으로 0.8 - 0.9의 값을 갖는다)이다.

따라서, 디지털 비디오 디스크에 대해, 관계식 (1)에 λ = 413 ㎚, NA = 0.9 및 K = 0.9를 대입하면 0.4㎛의 최단 피트 길이를 얻게 된다.

최근의 정보 통신 및 화상 처리 기술의 대다수 공정들에서는, 전술한 광 디스크가 지금보다 몇 배 더 큰 커패시티를 갖도록 요구되어 왔다. 예를 들어, 직경이 12 ㎝인 DVD는 한면 상에 15 GB의 저장 용량을 갖도록 요구된다. 이들 요구 사항들을 충족시키기 위하여, 최단 피트 길이는 0.22 ㎛로 축소되어야 하고 트랙 피치는 0.41 ㎛로 축소되어야 한다.

상기 언급된 관계식(1)에 보여진 바와 같이, 레이저 빔의 최단 파장의 축소와 사용된 대물 렌즈의 조리개수(NA)의 증가가 그러한 고밀도로서 피트들을 형성하는데 요구된다. 그러나, 현재 통용되는 0.9의 수치 구멍의 대물 렌즈는 대물 렌즈의 설계 및 제조로 얻어질 수 있는 렌즈 정밀도로는 거의 상한이다. 예를 들어, 파장 250 ㎚의 자외선 레이저가 사용될 때, 0.23 ㎛의 최단 피트 길이가 관계식 (1)의 0.8의 처리 팩터를 사용하여 유도된다.

따라서, 원자외선 레이저에 대해 종래의 것과 유사한 감도 및 해상도를 갖는 포토레지스트를 절단함으로써, 15 GB의 저장 용량을 갖는 광 디스크를 제작하는 것이 가능해진다.

그러나, 광 디스크들의 제조에 일반적으로 사용된 종래의 포토레지스트, 예를 들어 노볼락(novolak)형 포토레지스트는 반도체 소자들을 제조하기 위하여 원래 사용된 종래의 포토리소그래피에 파장 436㎚의 g선를 사용하여 노광 장치에 사용하여 최적화된 분자 설계를 갖도록 조절된다. 광흡수는 300 ㎚ 이하의 파장으로 급격히 증가될 것이다.

따라서, 노볼락형 포토레지스트가 원자외선 레이저를 사용하여 절단될 때, 해상도가 결정되는 콘트라스트 값(γ값)이 포토레지스트 내의 상당한 광흡수로 인해 저하됨으로써, 그렇게 형성된 피트들은 양호하지 못한 에지 형상 또는 경사진 에지 프로파일을 갖게 된다. 또한, 포토레지스트는 동일한 이유로 원자외선 레이저보다 덜 민감하기 때문에, 절단 효율성은 상당히 감소될 것이다. 따라서, 원자외선 레이저로 종래의 포토레지스트를 절단하는 것은 매우 어렵다.

따라서, 본 발명은 고밀도 및 대저장 용량을 갖는 광 디스크의 제조용 원반을 형성하는 방법을 제공하여 종래 기술의 상기 언급된 단점을 극복하는 것이 목적이고, 포토레지스트는 최대한 미세한 피트들과 홈들을 포함하는 고밀도 피트와 홈 패턴을 가지도록 절단될 수 있다.

상기 목적은 광 디스크 제조 공정에 사용하기 위한 원반을 형성하는 방법으로서, 기판 상으로 포토레지스트를 도포하는 단계를 포함하고, 정보 신호에 대응하는 잠상을 형성하기 위하여 파장 300㎚ 이하의 레이저 빔으로 포토레지스트 도포 기판을 노출하고, 포토레지스트 내의 피트들 및 홈들의 패턴을 형성하기 위하여 기판 상에 포토레지스트를 현상하는 방법을 제공함으로써 달성될 수 있다. 상기 포토레지스트는 레이저 빔에 노출하기 전후의 소광 계수간에 0.1 이하의 평균값을 갖는다.

본 발명에 따라, 사용된 포토레지스트는 파장 300㎚ 이하의 레이저 빔으로 노출되기전과 레이저빔으로 노출된 후의 소광 계수 사이에서 0.1 이하의 평균값을 가지기 때문에, 포토레지스트는 고정밀도로 절단되어 매우 미세하거나 가파른 에지 프로파일을 각각 갖는 피트들 및 흠들의 패턴을 가질 수 있다. 따라서, 매우 미세한 피트들 및 홈들이 형성될 수 있고, 이에 따라 예를 들어 고품질 원반은 15GB의 저장 용량을 갖는 광디스크를 생성하기 위하여 허용할 수 있는 높은 생산성으로 형성될 수 있다.

본 발명의 이들 목적들 및 다른 목적들, 특성들 및 이점들은 첨부된 도면들과 함께 본 발명의 다음 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

광 디스크 제조 공정에 사용하기 위한 원반을 광학적으로 절단하기 위하여, 정밀하게 연마된 표면을 갖는 외부 직경 220㎜및 두께 6㎜인 유리 기판이 준비된다. 그런 다음, 유리 기판에는 균일한 포토레지스트 층 또는 막을 형성하기 위하여 스피너(spinner)에 의해 0.1㎛의 층 두께로 포토레지스트가 도포된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 광 또는 레이저 소스(1)는 파장 300㎚ 이하의 레이저 빔, 예를 들어 파장 266㎚의 YAG 4파장 레이저를 발생하기 위하여 사용된다. 광원(1)으로부터 발생된 레이저 빔은 음향-광 소자(2) 등에 의해 디지털 신호로 펄스 변조되고, 도 1에서 화살표 L₁으로 도시된 바와 같이 유리 기판(4)의 주면(4a) 상의 포토레지스트 층(미 도시됨)상에 0.9의 NA 내지 0.25㎛의 스폿을 갖는 대물 렌즈(3)를 통해 촛점이 맞쳐진다. 따라서, 잠상(피트/홈 패턴)이 나선형으로 형성된다.

이 때, 유리 기판(4)은 일정한 선형 속도(CLV)로 회전되고 대물 렌즈(3)는 유리 기판(4)의 내주에서 외주까지 소정의 트랙 피치를 유지하기 위한 방식으로 방사상으로 미끄러진다. 광원(1)과 대물 렌즈(3) 사이에는 음향-광 소자(2) 상에 광원(1)으로부터 발생된 레이저 빔의 촛점을 맞추기 위한 렌즈, 촛점이 맞춰진 빔을 평행 빔들로 제공하기 위한 렌즈(7)들, 빔 직경을 조리개 직경과 거의 같거나 그 이상으로 증가시키는 빔 확장기(8)를 구비한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 광원(1)으로부터 레이저 빔의 광 경로를 편향하기 위하여 광원(1)과 렌즈(6)사이에 미러(9a 및 9b)들이 제공되고, 빔 확장기(8)로부터 레이저 빔의 광 경로를 편향하기 위하여 빔 확장기(8)와 대물 렌즈(3) 사이에 미러(10)가 제공된다. 따라서, 광원(1)으로부터의 레이저 빔은 렌즈(6)를 통과하여 도 1에서 화살표 L₂에 표시된 바와 같은 음향-광 소자(2)상에 입사되고, 렌즈(7), 빔 확장기(8) 및 대물 렌즈(3)를 통해 포토레지스트 층으로 촛점이 맞쳐진다.

그런 다음, 상기 언급된 절단에 의해 형성되는 잠상 내의 포토레지스트 층이 현상된다. 잠상은 에치된 피트/홈 패턴으로서 나타날 것이다.

본 발명에 따라, 포토레지스트 층은 파장 266㎚의 레이저 빔에 노출하기 전의 소광 계수 k₁과 레이저 빔으로 노출한 후의 소광 계수 k₂의 합을 평균하여 얻어진 0.1 이하의 평균 소광 계수 k [=(k₁ + k₂)/2]를 가진다.

상기 관계식에서, 평균 소광 계수 k는 포토레지스트의 광 흡수를 나타낸다. 도 2에 도시된 바와 같이, 파장 λ 및 강도 T₀를 갖는 광이 두께가 d㎛이고 광흡수 계수가 a인 포토레지스트로 구성되는 층(20)에 입사되고, 휘도 T₁를 갖는 광이 포토레지스트(20)로부터 방출될 때, 포토레지스트 층(20)은 광 투과율 T₁/T₀e^-ad 및 소광 계수 k(=λ/4π)a를 가질 것이다.

0.1이하의 평균 소광 계수 k를 갖는 포토레지스트를 절단함으로써, 기록 변조 신호에 대응하는 피트와 홈 패턴의 잠상은 가파른 피트 에지 프로파일의 형상으로 정확하게 형성될 수 있다. 즉, 절단에 의해 포토레지스트 층 내에 형성되는 피트와 홈 패턴 잠상 현상의 처리 중에서 에칭을 함으로써, 매우 미세하거나 가파른 비트 에지 프로파일을 각각 갖는 피트들 및 홈들의 패턴을 갖는 원반이 광 디스크 제작을 위하여 준비될 수 있다.

또한, 스퍼터링 또는 무전해 도금을 사용하여 예컨대, 피트/홈 패턴이 형성된 포토레지스트층 상에 수십 ㎚ 두께의 니켈층을 형성하고, 그런 다음 전해 도금 장치를 사용하여 전해함으로써 약 300㎛ 두께의 니켈층은 이 이전 니켈층 상에 도전층으로서 추가로 형성된다. 유리 기판 상에 이렇게 형성된 층들은 스탬퍼를 제공하기 위하여 유리 기판으로부터 분리된다. 스탬퍼는 내부 직경 및 외부 직경이 조정될 것이고, 뒷면이 연마되고 광 디스크 몰더에 실장을 하기 위하여 필요한 모양을 갖도록 단부를 작업한다.

광 디스크를 생성하기 위하여 사용하는 원반을 준비하는 절차는 다음에 간략하게 설명될 것이다. 0.1 이하의 (k = (k₁ + k₂)/2의 평균 소광 계수 k를 갖는 원자외선-감응 포토레지스트를 사용하여(여기에서, k₁은 파장 300㎚ 이하의 레이저에 노출하기 전의 소광 계수, k2는 레이저에 노출한 후의 소광 계수), 0.2㎛의 크기를 갖는 각 피트들을 포함하는 볼록/오목 패턴을 형성하여, 고밀도, 고저장 용량 광 디스크를 제작할 수 있도록 하는 고 생산성 품질 원반을 형성할 수 있다. 이러한 것은 실험을 통해 증명된다.

실시되었던 실험이 아래에서 설명될 것이다. 아래에 도시된 화학식(1)에 의해 표시된 기초 구조를 갖는 페놀 노볼락형 수지가 포토레지스트에 대한 기본 수지로서 사용되었다. 아래에 도시된 화학식(2)에 표시된 기본 구조를 갖는 디아조나프톨퀴논(diazonaphthoquinone)이 감광제로서 사용되었다. 페놀 노볼락형 수지 및 디아조나프톨퀴논은 함께 혼합되어 노볼락형 포토레지스트가 된다. 포토레지스트의 분자 설계는 레이저 빔에 노출되기 전후에 소광 계수 사이에서 평균값 k = 0.08을 갖는 포토레지스트 a를 제공하도록 최적화되었다. 포토레지스트 a는 도 3에 도시된 분광 투과율을 가진다.

[화학식 1]

[화학식 2]

도 1에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 a로 구성된 포토레지스트 층은 파장 266㎚의 원자외선 레이저에 노출시켜 절단되어 원반을 형성한다. 원반은 표면 상태가 도 4에 도시된 바와 같은 니켈 스탬퍼를 생성하는데 사용되었다.

도 4에 도시된 바와 같이, 0.08의 평균 소광 계수 k를 갖는 포토레지스트 a가 사용될 때, 25mJ/㎝²등과 같이 낮은 절단 전력 밀도로 가파른 에지 프로파일을 갖는 각 피트들을 형성하는 것이 가능하였다.

반면, 레이저에 노출되기 전후에 소광 계수들 사이에서 평균값 k = 0.14를 갖는 포토레지스트 b는 종래의 노볼락형 포토레지스트로부터 준비되었다. 포토레지스트 b로 구성된 포토레지스트 층은 유사하게 레이저 절단(파장 266㎚의 레이저로)되어 원반을 형성한다. 포토레지스트 b는 도 5에 도시된 바와 같은 분광 투과율을 가졌다. 원반은 표면 상태가 도 6과 같은 니켈 스탬퍼를 제작하는데 사용되었다.

도 6에 도시된 바와 같이, 0.14의 평균 소광 계수 k를 갖는 포토레지스터 b로부터 만들어진 원반을 사용하여 생성된 스탬퍼에 의해 형성된 피트들은 경사진 부분이 가파른 부분보다 더 큰 각각의 경사진 에지 프로파일을 가진다. 비교적 긴 피트들은 불규칙적인 모양으로 발견되었다. 이러한 것은 포토레지스트가 큰 광흡수 계수를 가지기 때문이고 이에 따라 포토레지스트 층은 균일하게 절단될 수 없거나 바닥까지 노출될 수 없다. 또한, 비교적 긴 피트가 형성될 때, 즉, 레이저 빔이 더 긴 시간 동안 턴 온될 때, 포토레지스트 내로 광흡수가 커서 너무 큰 열이 생성되어 포토레지스트는 즉시 광감도가 퇴화되는 온도까지 가열된다. 열분석 시뮬레이션을 통하여 레이저 절단을 하는 동안 포토레지스트의 온도 상승을 계산하여 포토레지스트가 약 120℃까지 가열된다는 것이 증명되었다.

도 5에 도시된 바와 같이 평균 소광 계수를 갖는 포토레지스트가 레이저 빔에 대해 낮은 감도를 가지기 때문에, 50mJ/㎝²등의 절단 전력 밀도가 요구된다.

상기로부터 증명된 바와 같이, 포토레지스트의 광흡수를 나타내는 소광 계수 k는 레이저를 절단한 후에 피트 모양에 많은 영향을 미치며, 레이저 빔으로 노출하기 전후에 소광 계수 사이의 평균값 k는 0.1 이하이어야 한다. 0.1 이하의 평균 소광 계수를 갖는 포토레지스트를 사용하여, 매우 미세하거나 가파른 에지 프로파일을 갖는 피트들 및 홈들을 포함하는 고밀도 요철 패턴을 형성하는 것이 가능하고, 이는 고저장 용량의 광 디스크에 대해 적당하고 광 디스크의 생산성을 높이는데 기여할 것이다.

상기에서, 종래의 노볼락형 포토레지스트의 분자 설계를 최적화하여 준비된 0.1 이하의 평균 소광 계수 k를 갖는 포토레지스트는 종래의 유리 기판 및 장치와 같은 재료와 함께 사용될 수 있어 산업적으로 유용할 것이다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 방법은 파장 300㎚ 이하의 레이저에 노출하기 전후의 소광 계수 간의 평균값이 0.1 이하인 포토레지스트를 사용하여 포토레지스트가 고밀도를 가지고 정확하게 절단될 수 있도록 하여 기록 변조 신호에 대응하는 매우 미세한 피트/홈 패턴을 형성한다.

따라서, 본 발명에 따르면 고밀도, 고저장 용량의 광 디스크를 생산할 수 있는 특성 원반을 높은 생산성으로 형성할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따라 포토레지스트가 도포된 기판을 절단하는 공정의 개략도.

도 2는 소광 계수의 설명을 위한 개략도.

도 3은 본 발명에서 사용된 포토레지스트의 파장과 분광 투과율 사이의 관계를 도시하고 광흡수 계수 a를 가진 특성 곡선.

도 4는 광흡수 계수 a를 갖는 광레지스트를 사용하여 제작된 스탬퍼의 표면 상태를 도시하는 사진.

도 5는 광흡수 계수 b를 갖는 광레지스트의 파장과 분광 투과율 사이의 관계를 도시하고 광흡수 계수 a를 갖는 광레지스트와 비교를 하여 얻어진 특성 곡선.

도 6은 광흡수 계수 a를 갖는 광레지스트를 사용하여 제작된 스탬퍼의 표면 상태를 도시하는 사진.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 광원

2 : 음향-광 소자

3 : 대물 렌즈

4 : 유리 기판

6 : 렌즈

8 : 빔 확장기

9 : 미러

Claims

광 디스크 제조 공정용 원반(mother) 제작 방법에 있어서,

기판 상에 포토레지스트를 도포하는 단계;

상기 포토레지스트가 도포된 기판을 파장 300㎚ 이하의 레이저빔에 노광시켜 정보 신호에 대응하는 잠상을 형성하는 단계; 및

상기 기판 상의 상기 포토레지스트를 현상하여 상기 포토레지스트에 피트(pit)들과 홈(groove)들을 포함하는 요철 패턴을 형성하는 단계

를 포함하고,

상기 포토레지스트는 노광 전후의 레이저빔의 소광 계수(extinction coefficient)들 간의 평균값이 0.1 이하인 원반 제작 방법.
제1항에 있어서,

상기 포토레지스트는 주성분으로서 디아조나프톨퀴논(diazonaphthoquinone)형 감광제 및 노볼락(novolak)형 수지를 포함하는 원반 제작 방법.