[논문]나노 광 프로브 어레이 구현을 위한 광학 헤드 유닛 개발

김홍민; 임지석; 김석민; 한정원; 강신일

doi:10.5228/kspp.2006.15.1.021

문제 정의

3pm 이하의 공차 내에서 정렬하는 것은 거의 불가능한 일이며, 이 문제점을 해결하기 위해 직경이 큰 개구를 대안으로 제시하였다. 그러나 큰 크기의 개구를 사용하였을 경우, 렌즈와 렌즈 사이에 존재하는 빈공간에 의한 노이즈가 발생할 수 있으므로 이에 대한 해석을 수행하였다. Fig.
따라서 성공적인 optical ROM 카드 시스템의 개발을 위해서는 작은 크기의 광 프로브 생성 뿐 아니라 및 고효율의 광학 헤드 유닛을 구현하는 것이 필 수적이라고 할 수 있다. 본 연구에서는 나노 광프로브 어레이 구현을 위한 고효율의 광학 헤드 유닛을 개발하였다. 이를 위해 마이크로렌즈 일체형 개구어레이를 제안하고 설계/제작하였다.
본 연구에서는 마이크로렌즈 일체형 개구어레 이를 이용하여 나노 광 프로브 구현을 위한 광학 헤드를 개발하였다. 이를 위해 초점에서 광 스폿의 직경이 최소가 되도록 마이크로렌즈를 설계하 였고, 제작을 고려하여 개구의 직경을 설계하였다.
본 연구에서는 마이크로렌즈 일체형 개구어레 이를 제작하기 위해 먼저 개구어레이를 제작하고 마이크로렌즈를 집적하는 공정을 수행하였다. 또한 직경 의 개구어레이는 마이크로렌즈 일체형 개구어레이의 특성 평가의 비교군으로 사용되었다.

제안 방법

이를 위해 초점에서 광 스폿의 직경이 최소가 되도록 마이크로렌즈를 설계하 였고, 제작을 고려하여 개구의 직경을 설계하였다. 개구어레이는 RIE 공정을 이용하여 제작하였으며, monolithic lithography integration 공정을 이용하여 마이크로렌즈를 개구어레이에 집적함으로써 마이크로렌즈 일체형 개구어레이를 제작하였다. 최종적으로 제작된 마이크로렌즈 일체형 개구어레이에 의해 형성된 광 프로브는 마이크로 렌즈가 없는 개구어레이에 비해 약 14배의 효율 증가를 보였으며, 광 프로브의 FWHM 직경이 0.
개구어레이상에 설계된 형상의 마이크로렌즈 어레이를 성형하기 위해 먼저 최종 마이크로렌즈 형상의 음각 형태를 갖는 자외선 투과형 몰드를 제작하였다. Fig.
또한 직경 의 개구어레이는 마이크로렌즈 일체형 개구어레이의 특성 평가의 비교군으로 사용되었다. 개구어레이의 제작방법으로는 다양한 공정 방법이 있을 수 있으나 본 연구에서는 유리 기판 상에 광학적으로 충분히 불투명한 알루미늄 층을 형성하고 이후 알루미늄 박층상에 포토 리소그래피 방식으로 에칭 베리어를 형성한 후 알루미늄 박층을 부분적으로 식각하는 방법을 사용하였다. 본 연구에서는 건식식각 방법인 RIE(reactive ion etching) 공정을 이용하여 etching bios 가 존재하지 않는 개구어레이를 제작하였다.
제작된 마이크로렌즈 일체형 개구어레이의 효용성을 평가하기 위하여 개구어레이에 의해 재생된 광 프로브 어레이와 마이크로렌즈 일체형 개구어레이에 의한 광 프로브 어레이의 광학 특성을 비교 평가하였다. 광 프로브의 형성을 위해 405nm 의 단파장 레이저 소스를 이용한 광원을 마이크로렌즈 일체형 개구어레이와 마이크로렌즈가 형성되지 않은 개구어레이에 조사시켜 각각 Talbot 거리 이후에 재생되는 광 프로브 어레이의 광도 분포를 CCD 카메라를 이용하여 측정하였다. Fig.
3μm 내에서 80% 이상의 효율을 갖는다. 그러나 렌즈 일체형 개구어레이의 제작시 마이크로렌즈어레이와 개구어레이를 0.3pm 이하의 공차 내에서 정렬하는 것은 거의 불가능한 일이며, 이 문제점을 해결하기 위해 직경이 큰 개구를 대안으로 제시하였다. 그러나 큰 크기의 개구를 사용하였을 경우, 렌즈와 렌즈 사이에 존재하는 빈공간에 의한 노이즈가 발생할 수 있으므로 이에 대한 해석을 수행하였다.
이를 위해 마이크로렌즈 일체형 개구어레이를 제안하고 설계/제작하였다. 또한 마이크로렌즈 일체형 개구어레이를 통해 재생된 광 프로브 어레이를 기존의 개구어레이에 의한 광 프로브 어레이와 비교 평가함으로써 나노 광 프로브 어레이 구현을 위한 광학 헤드 유닛으로서 마이크로렌즈 일체형 개구어레이의 유용성을 평가하였다.
이로써 마이크로렌즈 일체형 개구어레이를 사용함으로써 고효율의 나노 광 프로브 생성을 위한 광학 헤드로 사용할 수 있음을 알 수 있다. 또한 사용된 개구의 직경이 적절함을 평가하기 위해 개구가 존재하지 않는 마이크로렌즈 어레 이를 이용하여 광 프로브를 측정하였다. Fig.
이때 마이크로렌즈는 빛을 개구로 집광시킴으로써 광 효율을 증가시킬 수 있게 된다. 마이크로렌즈 일체형 개구 어레이의 초기 설계를 위해 홀 직경을 1μm, 주기가 15μm인 개구어레이를 사용하였고, 이 개구어레이에 빛을 집광시키기 위한 마이크로렌즈의 형상을 설계하였다. 최적 설계된 마이크로렌즈의 직경은 14μm, 높이가 2.
개구어레이의 제작방법으로는 다양한 공정 방법이 있을 수 있으나 본 연구에서는 유리 기판 상에 광학적으로 충분히 불투명한 알루미늄 층을 형성하고 이후 알루미늄 박층상에 포토 리소그래피 방식으로 에칭 베리어를 형성한 후 알루미늄 박층을 부분적으로 식각하는 방법을 사용하였다. 본 연구에서는 건식식각 방법인 RIE(reactive ion etching) 공정을 이용하여 etching bios 가 존재하지 않는 개구어레이를 제작하였다. Fig.
성형된 마이크로렌즈 어레이의 형상 특성을 평가하기 위하여 광학 현미경, SEM, AFM, 프리즘 커플러 두께 측정기를 이용하여 각각의 항목을 측정하였다. Fig.
8은 본 연구의 집적 공정에 사용한 monolithic lithography integration 시스템의 사진이다. 시스템은 콜리메이팅 된 자외선을 조사할 수 있는 광원조사부와 초정밀 정렬을 가능케 하는 현미경 및 스테이지부, 가압을 가능하게 하는 유압 시스템부로 나뉘어 진다.
이는 높은 전력소모를 유발시키므로 휴대용 정보저장기기를 위한 광학 헤드로써 단점으로 작용한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 연구에서는 마이크로렌즈 일체형 개구 어레이를 Fig. 4와 같이 제안하였다. 이때 마이크로렌즈는 빛을 개구로 집광시킴으로써 광 효율을 증가시킬 수 있게 된다.
본 연구에서는 나노 광프로브 어레이 구현을 위한 고효율의 광학 헤드 유닛을 개발하였다. 이를 위해 마이크로렌즈 일체형 개구어레이를 제안하고 설계/제작하였다. 또한 마이크로렌즈 일체형 개구어레이를 통해 재생된 광 프로브 어레이를 기존의 개구어레이에 의한 광 프로브 어레이와 비교 평가함으로써 나노 광 프로브 어레이 구현을 위한 광학 헤드 유닛으로서 마이크로렌즈 일체형 개구어레이의 유용성을 평가하였다.
본 연구에서는 마이크로렌즈 일체형 개구어레 이를 이용하여 나노 광 프로브 구현을 위한 광학 헤드를 개발하였다. 이를 위해 초점에서 광 스폿의 직경이 최소가 되도록 마이크로렌즈를 설계하 였고, 제작을 고려하여 개구의 직경을 설계하였다. 개구어레이는 RIE 공정을 이용하여 제작하였으며, monolithic lithography integration 공정을 이용하여 마이크로렌즈를 개구어레이에 집적함으로써 마이크로렌즈 일체형 개구어레이를 제작하였다.
제작된 마이크로렌즈 일체형 개구어레이의 효용성을 평가하기 위하여 개구어레이에 의해 재생된 광 프로브 어레이와 마이크로렌즈 일체형 개구어레이에 의한 광 프로브 어레이의 광학 특성을 비교 평가하였다. 광 프로브의 형성을 위해 405nm 의 단파장 레이저 소스를 이용한 광원을 마이크로렌즈 일체형 개구어레이와 마이크로렌즈가 형성되지 않은 개구어레이에 조사시켜 각각 Talbot 거리 이후에 재생되는 광 프로브 어레이의 광도 분포를 CCD 카메라를 이용하여 측정하였다.
9 (a)는 제작된 자외선 투과형 몰드의 SEM 사진이다. 제작된 자외선 투과형 몰드를 이용하여 개구어레이상에 마이크로렌즈어레이 의 정렬 성형 공정을 수행하였다. 사용된 성형 재료는 아크릴레이트 계열의 UV 경화 폴리머로 재료의 점도는 400cps이며, 2000mJ의 광량과 90kPa의 가압조건에서 성형공정이 수행되었다.

대상 데이터

32μm 이다. 사용된 빛의 파장은 405nm이며, 렌즈 재료의 굴절율은 405nm 파장에서 1.53이다. Fig.
제작된 자외선 투과형 몰드를 이용하여 개구어레이상에 마이크로렌즈어레이 의 정렬 성형 공정을 수행하였다. 사용된 성형 재료는 아크릴레이트 계열의 UV 경화 폴리머로 재료의 점도는 400cps이며, 2000mJ의 광량과 90kPa의 가압조건에서 성형공정이 수행되었다.

이론/모형

마이크로렌즈 일체형 개구어레이의 제작을 위해 앞서 제작된 개구어레이상에 마이크로렌즈 어레이를 집적하는 공정이 요구된다. 본 연구에서는 monolithic lithography integration 방법을 사용하였다[9~11]. 이 방법은 개구어레이상에 마이크로렌즈 어레이를 직접 복제하는 공정으로 타 공정에 비해 공정이 단순하여 공정비용이 적고 재현성이 매우 높아 양산공정에 가장 적합한 방법일 뿐 아니라, 광학적 정렬방법을 수행함으로써 높은 정렬도 구현이 가능하다.

성능/효과

56㎛로 측정되었다. 또한 사용된 개구는 렌즈와 렌즈 사이에 존재하는 빈공간에 의한 노이즈를 적절히 차단하고 있음을 확인하였다. 현재 광 프로브의 직경을 줄이기 위해 고개구율의 마이크로렌즈어레이를 이용한 광학 헤드의 개발에 대한 연구가 진행중에 있다.
56ptm로 측정되었다. 이로써 마이크로렌즈 일체형 개구어레이를 사용함으로써 고효율의 나노 광 프로브 생성을 위한 광학 헤드로 사용할 수 있음을 알 수 있다. 또한 사용된 개구의 직경이 적절함을 평가하기 위해 개구가 존재하지 않는 마이크로렌즈 어레 이를 이용하여 광 프로브를 측정하였다.
그러나 마이크로렌즈 일체형 개구어레이의 겨우 노이즈가 거의 발생하지 않고 있다. 이로써, 직경 10μm의 개구어레이가 적절히 노이즈를 차단시키고 있음을 확인할 수 있다.
개구어레이는 RIE 공정을 이용하여 제작하였으며, monolithic lithography integration 공정을 이용하여 마이크로렌즈를 개구어레이에 집적함으로써 마이크로렌즈 일체형 개구어레이를 제작하였다. 최종적으로 제작된 마이크로렌즈 일체형 개구어레이에 의해 형성된 광 프로브는 마이크로 렌즈가 없는 개구어레이에 비해 약 14배의 효율 증가를 보였으며, 광 프로브의 FWHM 직경이 0.56㎛로 측정되었다. 또한 사용된 개구는 렌즈와 렌즈 사이에 존재하는 빈공간에 의한 노이즈를 적절히 차단하고 있음을 확인하였다.
Table 2는 각각의 형상 측정 결과를 설계치와 비교한 것이다. 표에서 알 수 있듯이 제작된 렌즈의 직경 및 주기는 설계치와 같이 각각 14μm과 15μm 이며, 렌즈 높이는 2.68μm, 렌즈 하부 두께는 22μm 으로 설계공차 이내이며 표면 거칠기는 5.41μm 로 매우 우수함을 알 수 있다.

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