KR100638107B1 - 이머젼 박막층을 구비하는 광변조 미세개구 어레이 장치 및이를 이용한 고속 미세패턴 기록시스템 - Google Patents

이머젼 박막층을 구비하는 광변조 미세개구 어레이 장치 및이를 이용한 고속 미세패턴 기록시스템 Download PDF

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Abstract

광변조 미세개구 어레이 장치가 제공된다. 이 장치는 입사하는 광이 통과하는 정도를 개별적으로 조절할 수 있는 광량조절셀을 구비하는 공간 광변조부와, 각 마이크로렌즈는 상기 각 광량조절셀을 통과한 광을 집속시키는 마이크로렌즈 어레이와, 상기 마이크로렌즈 어레이가 한쪽 면상에 부착되며, 상기 마이크로렌즈의 초점거리와 실질적으로 동일한 두께를 갖는 기판과, 상기 기판의 다른쪽 면상에 배치되고, 상기 각 마이크로렌즈에 의하여 집속되어 상기 기판을 통과한 광을 방출시키는 미세개구를 구비하는 개구 어레이, 및 상기 개구 어레이로부터 소정을 두께를 갖도록 형성되고, 광학적으로 투명한 유전체로 이루어지며, 공기보다 큰 굴절율을 갖는 이머젼 박막층을 포함한다. 고속 미세패턴 기록시스템은 광변조 미세개구 어레이 장치를 이용하여 미세패턴을 고속으로 기록한다. 이머젼 박막층에 의하여 개구 어레이의 각 미세개구에 의하여 집속되는 광속의 크기가 작아지며, 개구 어레이의 전체 영역에 걸쳐서 기록매체와의 간격이 균일하게 유지된다.
미세개구, 미세패턴, 기록

Description

이머젼 박막층을 구비하는 광변조 미세개구 어레이 장치 및 이를 이용한 고속 미세패턴 기록시스템{LIGHT-MODULATING NANO/MICRO SCALE APERTURE ARRAY DEVICE HAVING IMMERSION LAYER AND HIGH SPEED NANO SCALE PATTERN RECORDING SYSTEM USING THE SAME}
도 1은 본 발명에 따른 광변조 미세개구 어레이 장치를 개략적으로 도시한 단면도,
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광변조 미세개구 어레이 장치에서 개구부 주변의 구조를 도시한 부분 확대 단면도,
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광변조 미세개구 어레이 장치에서 개구부 주변의 구조를 도시한 부분 확대 단면도,
도 4는 도 2에 도시된 광변조 미세개구 어레이 장치를 이용하여 기록매체에 정보를 기록하는 상태를 도시하는 도면,
도 5는 도 3에 도시된 광변조 미세개구 어레이 장치를 이용하여 기록매체에 정보를 기록하는 상태를 도시하는 도면,
도 6은 광변조 미세개구 어레이 장치를 구비하는 고속 미세패턴 기록시스템을 개략적으로 도시하는 도면, 및
도 7은 본 발명에 따른 광변조 미세개구 어레이 장치와 기록매체 사이의 간 격을 조절하기 위하여 기록매체에 압력을 가하는 수단을 도시하는 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
12 : 액정 광변조부 14 : 광량조절셀
16 : 마이크로렌즈 어레이 20 : 기판
30 : 개구 어레이 32 : 미세 개구
40, 40a, 40b : 이머젼 박막층 50 : 보호막층
70 : 윤활제 통로 100 : 광변조 미세개구 어레이 장치
110 : 광원부 130 : 평행광 생성부
140 : 기록매체 지지부 200 : 기록 매체
본 발명은 입사되는 광을 변조시켜 미세 패턴을 기록할 수 있도록 하는 광변조 미세개구 어레이 장치에 관한 것으로서, 더 구체적으로, 고투과율을 갖는 수 nm 내지 수십 nm의 크기의 미세개구가 매트릭스 형태로 배열된 개구 어레이에 굴절율이 공기보다 높은 액체 또는 고체 유전체 물질을 적용하여, 미세개구에 근접하여 집속되는 광속의 크기를 줄이고 미세개구와 기록매체 사이의 간격을 일정하게 유지할 수 있도록 하는 광변조 미세개구 어레이 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 광변조 미세개구 어레이 장치를 이용하여 기록매체에 고속으로 미세 패턴을 기록하는 고속 미세패턴 기록시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 반도세 소자의 제조에 사용되는 리소그래피 기술은 미세패턴이 기록된 포토마스크를 제작하는 마스킹 공정과 제작된 포토 마스크를 실리콘 기판에 도포된 포토 레지스터상에 노광하는 노광 공정으로 이루어진다. 최근에는 반도체 소자의 고집적화에 따라, 포토 마스크의 패턴의 선폭이 좁아지는 추세이다. 리소그래피의 광학계로 구현할 수 있는 패턴의 선폭은 분해능(resolution)에 의하여 제한되는데, 분해능이 작을수록 미세해진다.
한편, 분해능을 작게 하기 위해서는 개구수를 크게 하거나 파장이 짧은 광원을 사용해야 한다. 현재 자외선 파장의 193 nm인 알곤 플로라이드(ArF) 엑시머 레이저를 광원으로 사용하여 70 ~ 100 nm 정도의 분해능이 실현되고 있다. 이보다 높은 분해능을 실현하기 위해서는 더 짧은 파장, 예를 들어 157 nm의 파장을 갖는 레이저를 광원으로 사용하여야 한다. 그러나, 이렇게 짧은 파장의 자외선을 광원으로 사용하여 분해능을 높이기 위해서는 리소그래피 장비의 광학계 부품의 재질인 고품위 용융석영(fused silica)이 칼슘 플로라이드(CaF)로 대체되어야 하고, 사용되는 포토 레지스터도 자외선에 감응하는 새로운 재료로 바뀌어야 한다.
분해능을 높이기 위한 다른 방법으로서 100 nm 이하의 개구를 사용하는 것이 있는데, 여기서는 개구를 투과하여 개구 근처에 형성되는 근접장(near field)을 이용한다. 이때 분해능을 높이기 위하여 개구의 크기를 작게 하는 경우, 개구부를 통과하는 광의 세기는 개구 크기의 4제곱에 비례하여 작아지기 때문에, 노광 시간이 길어진다는 문제점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 출원인은 대한민국 특허출원 10-2003- 42649호에서 "2차원 광변조 미세개구 어레이 장치 및 이를 이용한 고속 미세패턴 기록시스템"을 제안한 바 있다. 이 장치에서는 투과율이 획기적으로 개선된 금속 광도파형 개구를 이용하여 포토 마스크를 사용하지 않고 기록매체 상에 직접 미세패턴을 기록한다. 이 장치를 이용하는 경우, 광원으로서 파장이 488 nm인 알곤 이온 레이저(청색 레이저)를 이용하면 이론적으로 70 nm 정도의 광속을 발생시킬 수 있다.
그러나, 이렇게 형성되는 광속의 크기는 사용하는 광원의 파장에 비례하여 줄어든다. 따라서, 위 출원에 개시된 기술을 이용하더라도 집속된 광속의 크기를 줄이기 위해서는 사용하는 광원의 파장을 줄여야 하고, 이에 따라 사용할 수 있는 광원의 종류에 의해 전술한 바와 같은 기술적인 제한이 생기게 된다.
또한, 단일 혹은 복수개의 미세개구를 구비하는 개구 어레이에 의해 형성되는 근접광을 이용하는 장치를 사용하여 신뢰도 높게 정보를 기록하기 위해서는, 개구 어레이 장치와 기록매체 사이의 거리가 균일하게 유지되어야 한다. 각 미세개구와 기록매체 사이의 거리가 일정하지 않은 경우에는 입사되는 광의 세기가 개구 어레이 전체 영역에 걸쳐서 일정하더라도, 각 개구에 의하여 기록매체의 표면 상에 형성되는 광속의 크기나 세기가 달라질 수 있기 때문이다.
따라서, 본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 공기보다 높은 굴절율을 갖는 유전체층을 개구 어레이와 기록매체 사이에 배치하여 광의 유효 파장을 줄임으로써 광속의 크기를 줄일 수 있는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한 다.
또한, 본 발명은, 근접장을 이용한 미세패턴 기록 시 개구와 기록매체, 특히 복수개의 미세개구를 구비하는 개구 어레이와 기록매체 사이의 간격을 균일하게 유지할 수 있는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 기술적 과제를 실현하기 위하여, 본 발명의 일 형태에 따르면, 매트릭스 형태로 배열된 1개 이상의 광량조절셀을 구비하며, 각 광량조절셀은 입사하는 광이 통과하는 정도를 개별적으로 조절할 수 있는 공간 광변조부와; 매트릭스 형태로 배열된 1개 이상의 마이크로렌즈를 구비하며, 각 마이크로렌즈는 상기 각 광량조절셀을 통과한 광을 집속시키는 마이크로렌즈 어레이와; 상기 마이크로렌즈 어레이가 한쪽 면상에 부착되며, 광학적으로 투명한 재료로 이루어지고, 상기 마이크로렌즈의 초점거리와 실질적으로 동일한 두께를 갖는 기판과; 상기 기판의 다른쪽 면상에 배치되고, 1개 이상의 미세 개구를 구비하며, 각 미세 개구는 상기 각 마이크로렌즈에 의하여 집속되어 상기 기판을 통과한 광을 방출시키는 개구 어레이; 및 상기 개구 어레이로부터 소정을 두께를 갖도록 형성되고, 광학적으로 투명한 유전체로 이루어지며, 공기보다 큰 굴절율을 갖는 이머젼 박막층을 포함하는 광변조 미세개구 어레이 장치가 제공된다.
상기 이머젼 박막층은 고체로 이루어질 수 있으며, 이 경우 상기 이머젼 박막층의 상기 개구 어레이와 대향하는 면상에 배치되는 보호막층을 더 포함하는 것이 좋다. 또한, 상기 보호막층은 다이아몬드 유사 탄소 (DLC, diamond like carbon)으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 이머젼 박막층은 액체로 이루어질 수도 있다. 이 경우, 상기 개구 어레이의 각 미세 개구로부터 소정 간격을 두고 이를 둘러싸는 영역의 적어도 일부에는 고체로 이루어지고 상기 이머젼 박막층과 동일한 두께를 가지며 표면이 보호막층으로 코팅된 벽부재가 배치될 수 있다.
상기 개구 어레이의 각 미세 개구는 상기 이머젼 박막층과 동일한 재료로 채워지는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 형태에 따르면, 광을 방출하는 광원부와; 상기 광원부로부터 방출된 광을 전송하는 광전송부와; 상기 광전송부에 의하여 전송된 광을 평행광으로 만드는 평행광 생성부와; 매트릭스 형태로 배열된 1개 이상의 광량조절셀을 구비하며, 상기 평행광 생성렌즈로부터 출사되는 광이 각 광량조절셀로 입사되고, 각 광량조절셀은 입사되는 정도를 개별적으로 조절할 수 있는 공간 광변조부와, 매트릭스 형태로 배열된 1개 이상의 마이크로렌즈를 구비하며, 각 마이크로렌즈는 상기 각 광량조절셀을 통과한 광을 집속시키는 마이크로렌즈 어레이와, 상기 마이크로렌즈 어레이가 한쪽 면상에 부착되며, 광학적으로 투명한 재료로 이루어지고, 상기 마이크로렌즈의 초점거리와 실질적으로 동일한 두께를 갖는 기판과, 상기 기판의 다른쪽 면상에 배치되고, 1개 이상의 미세 개구를 구비하며, 각 미세 개구는 상기 각 마이크로렌즈에 의하여 집속되어 상기 기판을 통과한 광을 방출시키는 개구 어레이, 및 상기 개구 어레이로부터 소정을 두께를 갖도록 형성되고, 광학적으로 투명한 유전체로 이루어지며, 공기보다 큰 굴절율을 갖는 이머젼 박막층을 구비하는 2차원 광변조 미세개구 어레이 장치와; 상기 2차원 광변조 미세개구 어레이 장치의 개구 어레이로부터 방출되는 광에 의하여 소정의 패턴이 기록되는 기록매체를 지지하는 기록매체 지지장치; 및 상기 2차원 광변조 미세개구 어레이 장치 또는 상기 기록매체 지지장치와 연결되어 그 연결된 장치를 이동시킴으로써 상기 2차원 광변조 미세개구 어레이 장치와 상기 기록매체 지지장치에 의하여 지지되는 기록매체 사이에 상대운동을 발생시키는 스캔 장치를 포함하는 고속 미세패턴 기록시스템이 제공된다.
상기 2차원 광변조 미세개구 어레이 장치와 상기 기록매체 사이의 상대운동은 상기 보호막층의 표면과 상기 기록매체의 표면이 접촉한 상태에서 이루어진다.
바람직하게는, 상기 기록매체 지지장치는 상기 기록매체에서 상기 보호막층과 접촉하지 않는 쪽의 면에 압력을 가하여 상기 이머젼 박막층의 표면과 상기 기록매체의 표면이 양호하게 접촉된 상태로 상대이동할 수 있도록 보장한다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광변조 미세개구 어레이 장치 및 이를 이용한 고속 미세패턴 기록시스템에 대하여 설명한다.
도 1에는 본 발명에 따른 광변조 미세개구 어레이 장치의 단면도가 개략적으로 도시되어 있다.
광변조 미세개구 어레이 장치(100)는 액정 광변조부(12), 마이크로렌즈 어레이(16), 기판(20), 개구 어레이(30) 및 이머젼 박막층(40)을 포함한다.
액정 광변조부(12)는 공간 광변조기의 일종으로서, 소정의 형태로 배열된 복 수개의 광량조절셀(14)를 구비하며, 각 광량조절셀(14)은 투과되는 광량을 조절한다. 예를 들어, 광량조절셀(14)은 인가되는 전압에 따라 광 투과율이 변화하는 액정으로 이루어진 액정셀일 수 있다. 본 실시예에서는 광량조절셀(14)로서 액정셀이 사용되는 경우에 대하여 설명한다.
액정셀(14)은 일렬로 또는 2열 이상으로 이루어진 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. 2열 이상이 배열되는 경우에는 각 열의 액정셀(14)의 중심이 서로 어긋나도록 배열될 수도 있다. 액정셀(14)의 배열 방식 및 갯수는 액정셀의 크기, 적용되는 응용분야 등에 따라 변경된다. 한편, 각 액정셀(14)의 광 투과율은, 예를 들어, 인가되는 전압에 따라 변화한다. 각 액정셀(14)의 광 투과율은 0%와 100%의 2개의 설정값 사이에서 변화하거나, 복수개의 단계를 가지고 변화하도록 설정될 수 있다. 또한, 각 액정셀(14)의 광 투과율은 개별적으로 조절되는 것이 좋다. 즉, 인접하는 액정셀(14)의 광 투과율과 독립적으로 각 액정셀(14)의 광 투과율이 조절된다.
마이크로렌즈 어레이(16)는 소정의 형태로 배열된 복수개의 마이크로렌즈를 구비하며, 각 마이크로렌즈는 액정셀(14)을 통과한 광을 집속시킨다. 따라서, 마이크로렌즈 어레이(16)의 각 마이크로렌즈는 공간 광변조부(12)의 각 액정셀(14)에 대응하는 것이 바람직하다. 그러나, 반드시 1개의 액정셀(14)에 대하여 1개의 마이크로렌즈가 대응되어야 하는 것은 아니며, 필요에 따라 1개의 액정셀(14)에 대하여 복수개의 마이크로렌즈가 대응될 수도 있다. 어떤 경우라도, 각 마이크로렌즈의 광축은 대응되는 액정셀(14)의 광축과 일치하는 것이 좋다.
마이크로렌즈 어레이(16)는 기판(20)의 한쪽 면상에 접합되는데, 기판(20)은 광학적으로 투명한 재료로 이루어진다. 기판(20)의 두께는 마이크로렌즈의 초점거리와 실질적으로 동일하다. 이에 따라, 마이크로렌즈에 의하여 집속된 광은 기판(20)의 내부를 통과하여 마이크로렌즈 어레이(16)가 배열된 면과 대향하는 기판(20)의 다른쪽 면 상에 집속된다.
개구 어레이(30)는 기판(20)의 다른쪽 면 상에 형성되며, 소정의 형태로 배열된 복수개의 미세개구를 구비한다. 각 미세개구는 각 마이크로렌즈에 의하여 집속된 광을 방출한다. 따라서, 미세개구는 마이크로렌즈와 동일한 방식으로 배열된다. 개구 어레이는(30)는 기판(20)의 다른쪽 면 상에 금속 박막을, 예를 들어, 증착과 같은 방법으로 형성하고 이 금속 박막에 복수개의 미세개구를 에칭 등의 방법을 이용하여 형성함으로써 제공될 수 있다.
최근의 연구에 따르면, 금속 박막에 적절한 형태를 갖는 개구를 만들면 금속 박막 속의 전자에 의한 플라즈몬 효과(plasmon effect)와 개구의 도파관 효과에 의하여 투과율을 획기적으로 높일 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 이 경우, 개구의 크기는 입사되는 광의 파장보다 작은 크기를 갖는다. 예를 들어, Xiaolei Shi 등이 2002년도에 SPIE Vol. 4342에 게재한 논문, "A nano-aperture with 1000X power throughput enhancement for VSAL system"에는, 가로 220 nm, 세로 300 nm의 크기를 갖는 C-형 미세개구에 파장이 1 ㎛인 광을 입사한 경우, 가로, 세로 모두 100 nm의 크기를 갖는 정사각형 형상의 개구에 동일한 광을 입사한 경우와 비교하여 1000배에 가까운 투과율이 나타나는 현상이 보고되어 있다. 이 때, C-형 미세개구의 경우에는 장축이 136 nm이고 단축이 128 nm인 타원형 광속이 나타났으며, 정사 각형 형상의 개구의 경우에는 장축이 140 nm이고 단축이 80 nm인 타원형 광속이 형성되었다. 미세개구에 의하여 형성되는 광속의 크기를 줄이기 위해서는 광의 파장을 줄이거나 개구의 크기를 줄여야 한다.
한편, 일반적으로 나노 크기의 개구로 광이 입사되면, 개구 근처에 전파되지 않는 소멸 전계(evanescent field)가 형성되고 개구를 통과한 광은 회절 현상에 의하여 큰 각도로 발산된다. 따라서, 나노 크기의 개구 근처에 형성되는 소멸 전계를 활용하기 위해서는 미세개구와 기록매체 사이의 거리가, 예를 들어, 100 nm 이하로 유지되어야 한다.
본 실시예에 따른 개구 어레이(30)의 미세개구(32)는 이러한 원리를 이용한 것으로서, 미세개구(32)의 형태 및 크기는 적용되는 응용분야에서 요구되는 분해능과 입사광으로 사용되는 광의 파장에 따라 결정될 수 있다.
본 발명에 따른 광변조 미세개구 어레이 장치(100)는 미세개구(32)에 의하여 형성되는 광속의 크기를 더 줄이기 위하여 이머젼 박막층(40)을 구비한다. 도 2 및 3은 도 1에서 원 A로 표시된 부분을 확대한 도면으로서, 도 2에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광변조 미세개구 어레이 장치에서 미세개구 주변의 구조가 도시되어 있으며, 도 3에는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광변조 미세개구 어레이 장치에서 미세개구 주변의 구조가 도시되어 있다.
도 2에 도시된 제1 실시예에서는, 이머젼 박막층(40)으로서 광학적으로 투명하고 굴절율이 공기보다 높은 고체 재료를 이용한다. 고체 이머젼 박막층(40a)은 미세개구(32) 내부 및 그 주변에 배치된다. 고체 이머젼 박막층(40a)의 굴절율이 공기보다 높기 때문에, 이머젼 박막층 내에서는 미세개구(32)를 통하여 방출되는 광의 파장이 공기 중에서보다 짧은 파장을 갖는다. 이에 따라, 미세개구(32)에 의하여 형성되는 광속의 크기는 이머젼 박막층(40)을 통과하지 않은 경우에 비하여 작아진다. 광속의 크기가 작아지면, 기록매체에 더 작은 크기로 정보를 기록할 수 있다. 고체 이머젼 박막층(40a)의 재료로는, 광학적으로 투명한 포토레지스트, 자외선 응고수지, 중합체 등이 사용될 수 있다. 위에서 설명한 바와 같이, 미세개구(32) 근처에 형성되는 소멸전계를 이용하기 위해서는 개구(32)와 기록매체 사이의 거리가, 예를 들어, 100 nm 이하로 유지되어야 하므로, 고체 이머젼 박막층(40a)의 두께는 이보다 작아야 한다. 대체로, 수십 nm 정도의 두께를 갖는 것이 좋다.
바람직하게는, 고체 이머젼 박막층(40a)의 표면은 보호막층(50)으로 도포된다. 보호막층(50)은 광학적으로 투명하고 경도가 높은 재료로 이루어진다. 예를 들어, 다이아몬드 유사 탄소(DLC, diamond like carbon)가 보호막층의 재료로 사용될 수 있다. 보호막층(50)은 광변조 미세개구 어레이 장치가 기록매체와 접촉한 상태로 이동하는 경우에 이머젼 박막층(40a)이 손상되는 것을 방지한다.
이머젼 박막층(40)을 이루는 재료로서 고체가 아니라 액체를 사용할 수 있다. 도 3에는 액체 이머젼 박막층(40b)를 구비하는 경우의 미세개구(32) 주변의 구조가 도시되어 있다. 이머젼 박막층(40b)을 이루는 액체는 미세개구(32)의 내부 및 그 주변의 영역을 채우고 있다. 액페 이머젼 박막층(40b)을 이루는 액체로는 광학적으로 투명하며 굴절율이 공기보다 높은 것을 사용한다. 한편, 개구 어레이(30)와 기록매체(200) 사이의 간격을 일정하게 유지하기 위한 수단으로서, 간격유지부재 (42)를 구비하는 것이 좋다. 간격유지부재(42)는 미세개구(32) 주변 영역의 적어도 일부에서 미세개구(32)로부터 소정의 간격을 두고 이를 둘러싸는 형상으로 형성된다. 간격유지부재(42)는 기록매체(200)와 접촉한 상태로 상대 이동되기 때문에, 고체 이머젼 박막층(40a)의 경우와 같이, 표면이 보호막층(50)으로 도포되는 것이 좋다.
한편, 도 4에는 도 2에 도시된 광변조 미세개구 어레이 장치의 변형예가 도시되어 있으며, 도 5에는 도 3에 도시된 광변조 미세개구 어레이 장치의 변형예가 도시되어 있다.
도 4에 도시된 실시예는 고체 이머젼 박막층(40a)를 구비하는 개구 어레이 장치(100)에 관한 것이다. 이 변형예에서는 이머젼 박막층(40a)과 기록매체(200) 사이의 상대 운동이 더 원활하게 이루어질 수 있도록 윤활 작용을 돕는 윤활제가 제공된다. 이에 따라, 윤활제가 통과할 수 있도록 고체 이머젼 박막층(40a) 사이에 윤활제 통로(70)가 마련된다. 윤활제로는 광학적으로 투명하여 소멸전계를 흡수하지 않는 재료가 사용되며, 액체인 것이 좋다.
도 5에 도시된 실시예는 액체 이머젼 박막층(40b)를 구비하는 개구 어레이 장치(100)에 관한 것이다. 위 실시예와 마찬가지로, 이 변형예에서도 이머젼 박막층(40b)과 기록매체(200) 사이의 상대 운동이 더 원활하게 이루어질 수 있도록 윤활제가 제공된다. 다만, 이머젼 박막층(40b)이 액체이기 때문에, 윤활제는 이머젼 박막층(40b)과 동일한 재료로 이루어지는 것이 바람직하다.
윤활제로 사용되는 액체는 온도 변화나 공정 중의 오염에 의하여 유전율이 크게 변화하지 않는 물질이어야 하며, 윤활 기능을 가져야 한다.
도 6에는 본 발명에 따른 광변조 미세개구 어레이 장치를 구비하는 고속 미세패턴 기록시스템이 개략적으로 도시되어 있다.
고속 미세패턴 기록시스템은, 광원부(110), 평행광 생성부(130), 광변조 미세개구 어레이 장치(100) 및 기록매체 지지부(140)를 포함한다.
광원부(110)는 광변조 미세개구 어레이 장치(100)에 제공될 광, 예를 들어, 레이저광을 발생시킨다. 나노 크기의 패턴을 기록하고자 하는 경우, 광원부(110)에서 발생시키는 광으로는 파장이 488 nm인 알곤 이온레이저, 442 nm의 헬륨 카드뮴 레이저, 405 nm의 다이오드 레이저, 355 nm인 야그 레이저의 3차 고조파, 266 nm인 야그 레이저 4차 고조파 등 연속발진 레이저 광원이라면 모두 사용될 수 있다.
광원부(110)에서 발생된 광은 광 전송부(120)에 의하여 필요한 지점으로 전송될 수 있다. 광 전송부(120)로는 광섬유가 사용될 수 있다. 또한, 광원부(110)에서 조사하는 광의 세기를 일정하게 유지하기 위하여 출력안정부(도시되지 않음)가 사용될 수 있다. 광 전송부(120)를 통하여 전송된 광은 공간 여과(spatial filtering)되어 출사되는 것이 좋다.
평행광 생성부(130)는 광원부(110)로부터 전송된 광을 평행광으로 만들어 넓은 영역에 분포되도록 한다. 예를 들어, 평행광 생성렌즈가 사용될 수 있다. 평행광이 조사되는 영역은 적어도 광변조 미세개구 어레이 장치(100)의 전체 면적을 포함한다. 광의 세기 분포를 균일하게 하기 위하여 광평활기(beam homogenizer)가 사용될 수 있다.
광변조 미세개구 어레이 장치(100)는 도 1에 도시된 것과 같은 구조를 갖는다. 제어 장치(도시되지 않음)는 미세개구 어레이 장치(100)의 각 액정셀의 동작을 제어하여 평행광 생성부(130)로부터 입사되는 광이 각 액정셀을 투과하는 정도를 개별적으로 조절한다.
기록매체 지지장치(140)는 기록매체(200)를 지지한다. 기록매체(200)는, 예를 들어, 반도체 소자를 제조하기 위한 웨이퍼일 수 있다.
도시되지는 않았지만, 미세개구 어레이 장치(100)와 기록매체 지지장치(140)를 서로에 대하여 상대 이동시키는 스캔 장치가 더 제공된다. 스캔 장치는 미세개구 어레이 장치(100) 또는 기록매체 지지장치(140)와 연결되며, 그 연결된 장치를 수평방향으로 이동시켜 전술한 상대 운동을 발생시킨다. 상대 운동은, 예를 들어, 개시 지점에서 x-방향으로 소정 거리만큼 미세개구 어레이 장치(100)를 이동시킨 후 개시 지점으로부터 y-방향으로 소정 간격만큼 이동한 지점으로 복귀하고, 그 지점으로부터 다시 x-방향으로 이전과 동일한 거리만큼 이동하는 방식으로 이루어진다. 스캔 장치의 작동은 전술한 제어 장치에 의하여 조절된다.
개구 어레이(30)가 복수개의 미세개구(32)를 구비하는 경우, 각 미세개구에 의하여 발생되는 광속 사이의 간격은 미세개구가 배열된 간격에 의하여 결정된다. 스캔 장치가 이동하는 거리는 광속 사이의 간격, 즉, 미세개구 사이의 간격에 의하여 결정된다.
도 7에는 본 발명에 따른 광변조 미세개구 어레이 장치와 기록매체 사이의 간격을 균일하게 유지하기 위한 수단이 도시되어 있다.
전술한 바와 같이, 기록매체(200) 상에 정보를 신뢰도 높게 기록하기 위해서는 개구 어레이의 모든 미세개구와 기록매체 사이의 거리가 균일하게, 예를 들어, 수십 nm로 유지되어야 한다. 한편, 고속으로 미세패턴을 기록하기 위해서는 개구 어레이가 다수의 미세개구를 구비하여야 하고, 이에 따라 개구 어레이의 면적이 넓어진다. 예를 들어, 미세개구 사이의 거리가 10 ㎛이고 1000개 X 1000개의 개구가 배열되는 경우, 개구 어레이의 면적은 10 X 10 mm2이 된다. 이러한 면적을 갖는 영역에 걸쳐서 개구 어레이와 기록매체의 간격을 수십 nm로 유지하는 것은 용이하지 않다. 미세개구와 기록매체의 간격이 40 nm이고 사용되는 광원의 파장(λ)이 532 nm라고 가정하면, 기록되는 정보의 신뢰도를 유지하기 위하여 간격은 대략 4~5 nm 이내에서 유지되어야 할 것으로 추정되는데, 이는 사용하는 파장을 기준으로 λ/100에 해당한다. 이와 같은 간격을 유지하기 위해서는 개구 어레이와 기록매체의 표면 평면도를 λ/200로 가공하여야 하는데, 이러한 평면도를 갖는 면을 가공하는 것은 매우 어려운 일이다.
한편, 최근 반도체 제조에 사용되는 실리콘 기판의 두께는 수백 ㎛ 이하로 얇아지는 추세이며, 이에 따라 기판은 상당한 유연성을 갖는다. 이와 같이 기록매체가 유연성을 갖는 경우에는 도 7에 도시된 바와 같이 기록매체에 압력을 가하여 기록매체의 표면과 미세개구 어레이 장치의 이머젼 박막층이 밀접하게 접촉한 상태를 유지하도록 할 수 있다. 즉, 기록매체에 가해지는 압력에 의하여 기록매체의 면의 다소 휘어져 이머젼 박막층과 접촉된 상태를 유지하게 되면, 이머젼 박막층의 두께에 의하여 개구 어레이와 기록매체 사이의 간격이 균일하게 유지될 수 있다. 기록매체에 압력을 가하는 수단으로는, 예를 들어, 유압이 이용될 수 있다.
전술한 본 발명에 따른 실시예들에서는, 미세 개구가 1개 이상, 따라서, 이에 대응하는 광량조절셀, 마이크로렌즈도 모두 1개 이상인 경우에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 미세 개구가 1개인 경우에도 적용될 수 있음은 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다. 이런 장치는, 예를 들어, 기록 매체에 직선 또는 곡선 형태로 정보를 저장하는 경우에 사용될 수 있다.
이상에서 이머젼 박막층을 구비하는 광변조 미세개구 어레이 장치 및 이를 이용한 고속 미세패턴 기록시스템에 대한 본 발명의 실시예를 첨부도면을 참조하여 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것일 뿐이며 본 발명을 한정하고자 하는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 후술하는 청구항에 기재된 기술적 사항을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능하다는 점은 명백하다.
본 발명에 따라, 광의 유효 파장이 짧아지고 집속 광속의 크기가 줄일 수 있는 미세개구 어레이 장치가 제공된다. 이에 따라, 기존의 광원과 포토 레지스터를 이용하면서 기록 밀도 또는 미세패턴의 분해능을 높일 수 있다.
아울러, 복수개의 미세개구를 구비하는 개구 어레이를 이용하는 경우, 개구 어레이의 전체 영역에 걸쳐서 기록매체와의 간격이 균일하게 유지되는 미세패턴 기 록시스템이 제공된다. 이에 따라, 요구되는 신뢰도로 기록매체에 정보를 기록할 수 있다.

Claims (17)

  1. 기록매체에 미세 패턴을 기록할 수 있도록 하는 광변조 미세개구 어레이 장치로서,
    매트릭스 형태로 배열된 1개 이상의 광량조절셀을 구비하며, 각 광량조절셀은 입사하는 광이 통과하는 정도를 개별적으로 조절할 수 있는 공간 광변조부;
    매트릭스 형태로 배열된 1개 이상의 마이크로렌즈를 구비하며, 각 마이크로렌즈는 상기 각 광량조절셀을 통과한 광을 집속시키는 마이크로렌즈 어레이;
    상기 마이크로렌즈 어레이가 한쪽 면상에 부착되며, 광학적으로 투명한 재료로 이루어지고, 상기 마이크로렌즈의 초점거리와 실질적으로 동일한 두께를 갖는 기판;
    상기 기판의 다른쪽 면상에 배치되고, 1개 이상의 미세 개구를 구비하며, 각 미세 개구는 상기 각 마이크로렌즈에 의하여 집속되어 상기 기판을 통과한 광을 방출시키는 개구 어레이;
    고체 상태의 재료로 이루어지며, 상기 개구 어레이의 각 미세 개구의 주변에 배치되어 상기 기록매체의 표면과 상기 개구 어레이 사이의 거리를 일정하게 유지시키는 간격유지층; 및
    상기 개구 어레이로부터 소정의 두께를 갖도록 형성되며, 공기보다 큰 굴절율을 갖고 광학적으로 투명한 유전체로 이루어지는 이머젼 박막층
    을 포함하는 광변조 미세개구 어레이 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 이머젼 박막층은 고체 상태의 재료로 이루어지며, 상기 간격유지층과 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 광변조 미세개구 어레이 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 간격유지층의 상기 개구 어레이와 대향하는 면상에 배치되는 보호막층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광변조 미세개구 어레이 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 보호막층은 다이아몬드 유사 탄소로 이루어진 것을 특징으로 하는 광변조 미세개구 어레이 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 이머젼 박막층은 액체인 것을 특징으로 하는 광변조 미세개구 어레이 장치.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 개구 어레이의 각 미세 개구는 상기 이머젼 박막층과 동일한 재료로 채 워지는 것을 특징으로 하는 광변조 미세개구 어레이 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 개구 어레이는 금속 재질의 박막층에 1개 이상의 미세 개구가 매트릭스 형태로 배열되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 광변조 미세개구 어레이 장치.
  9. 기록매체에 고속으로 미세패턴을 기록하는 시스템으로서,
    소정의 파장을 갖는 광을 방출하는 광원부와;
    상기 광원부로부터 방출된 광을 평행광으로 만드는 평행광 생성부와;
    매트릭스 형태로 배열된 1개 이상의 광량조절셀을 구비하며, 상기 평행광 생성부로부터 출사되는 광이 각 광량조절셀로 입사되고, 각 광량조절셀은 광이 투과되는 정도를 개별적으로 조절할 수 있는 공간 광변조부; 매트릭스 형태로 배열된 1개 이상의 마이크로렌즈를 구비하며, 각 마이크로렌즈는 상기 각 광량조절셀을 통과한 광을 집속시키는 마이크로렌즈 어레이; 상기 마이크로렌즈 어레이가 한쪽 면상에 부착되며, 광학적으로 투명한 재료로 이루어지고, 상기 마이크로렌즈의 초점거리와 실질적으로 동일한 두께를 갖는 기판; 상기 기판의 다른쪽 면상에 배치되고, 1개 이상의 미세 개구를 구비하며, 각 미세 개구는 상기 각 마이크로렌즈에 의하여 집속되어 상기 기판을 통과한 광을 방출시키는 개구 어레이; 고체 상태의 재료로 이루어지며, 상기 개구 어레이의 각 미세 개구의 주변에 배치되어 상기 기록매체의 표면과 상기 개구 어레이 사이의 거리를 일정하게 유지시키는 간격유지층; 및, 상기 개구 어레이로부터 소정의 두께를 갖도록 형성되며, 공기보다 큰 굴절율을 갖고 광학적으로 투명한 유전체로 이루어지는 이머젼 박막층을 구비하는 광변조 미세개구 어레이 장치와;
    상기 광변조 미세개구 어레이 장치의 개구 어레이로부터 방출되는 광에 의하여 소정의 패턴이 기록되는 기록매체를 지지하는 기록매체 지지장치; 및
    상기 광변조 미세개구 어레이 장치 또는 상기 기록매체 지지장치와 연결되어 그 연결된 장치를 이동시킴으로써 상기 광변조 미세개구 어레이 장치와 상기 기록매체 지지장치에 의하여 지지되는 기록매체 사이에 상대운동을 발생시키는 스캔 장치
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 미세패턴 기록시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 광변조 미세개구 어레이 장치의 상기 이머젼 박막층은 고체로 이루어진 것을 특징으로 하는 고속 미세패턴 기록시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 광변조 미세개구 어레이 장치는 상기 이머젼 박막층의 상기 개구 어레이와 대향하는 면상에 배치되는 보호막층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 미세패턴 기록시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 광변조 미세개구 어레이 장치와 상기 기록매체 사이의 상대운동은 상기 보호막층의 표면과 상기 기록매체의 표면이 접촉한 상태에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 고속 미세패턴 기록시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 기록매체 지지장치는 상기 기록매체에서 상기 보호막층과 접촉하지 않는 쪽의 면에 압력을 가하여 상기 이머젼 박막층의 표면과 상기 기록매체의 표면이 양호하게 접촉된 상태로 상대이동할 수 있도록 보장하는 것을 특징으로 하는 고속 미세패턴 기록시스템.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 광변조 미세개구 어레이 장치의 상기 이머젼 박막층은 액체인 것을 특징으로 하는 고속 미세패턴 기록시스템.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 광변조 미세개구 어레이 장치와 상기 기록매체 사이의 상대운동은 상기 간격유지층의 표면과 상기 기록매체의 표면이 접촉한 상태에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 고속 미세패턴 기록시스템.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 기록매체 지지장치는 상기 기록매체에서 상기 이머젼 박막층과 접촉하 지 않는 쪽의 면에 압력을 가하여 상기 이머젼 박막층의 표면과 상기 기록매체의 표면이 양호하게 접촉된 상태로 상대이동할 수 있도록 보장하는 것을 특징으로 하는 고속 미세패턴 기록시스템.
  17. 삭제
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