[논문]회절광학소자 제작을 위한 레이저 직접 노광기의 공정실험

김영광; 이혁교; 김영식; 이윤우

doi:10.7736/kspe.2016.33.10.845

회절광학소자 제작을 위한 레이저 직접 노광기의 공정실험
Parametric Study for a Diffraction Optics Fabrication by Using a Direct Laser Lithographic System 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.33 no.10, 2016년, pp.845 - 850

김영광 (과학기술연합대학원대학교 측정과학과) , 이혁교 (과학기술연합대학원대학교 측정과학과) , 김영식 (과학기술연합대학원대학교 측정과학과) , 이윤우 (과학기술연합대학원대학교 측정과학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A direct laser lithography system is widely used to fabricate various types of DOEs (Diffractive Optical Elements) including lenses made as CGH (Computer Generated Hologram). However, a parametric study that uniformly and precisely fabricates the diffractive patterns on a large area (up to $200mm{\times}200mm$) has not yet been reported. In this paper, four parameters (Focal Position Error, Intensity Variation of the Lithographic Beam, Patterning Speed, and Etching Time) were considered for stabilization of the direct laser lithography system, and the experimental results were presented.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

CGH를 포함한 회절광학소자 제작에 있어서 가장 중요한 점 두 가지는 첫째, 미세 패턴의 정밀한 구현과, 둘째, 전체 회절광학소자 영역에서 패턴의 균일도 유지이다. 본 논문에서는 레이저 직접 노광법을 기반으로 하여, 회절광학소자를 제작할 때 영향을 줄 수 있는 다양한 공정변수를 바꿔가면서 실험하여 장시간 노광 시 안정적인 패턴을 구현할 수 있는 방법에 대하여 연구를 수행하였다.

제안 방법

본 논문에서는 회절광학소자를 제작하기 위한 레이저 직접 노광기의 공정 변수에 따른 실험을 수행하였다. 대표적인 변수인 초점위치 변화, 노광 빛의 광강도 변화, 에칭 시간 변화, 노광 속도 변화에 대해 간단한 실험을 통해 경향성을 파악한 다음, 이 가운데 상대적으로 패턴에 영향이 작은 에칭 시간은 180 s로 고정하고, 나머지 세 가지 변수에 대하여 공정 실험을 좀 더 세밀한 간격으로 반복하여 공정 조건을 잡았다. 그 결과 초점렌즈로부터 시편까지 거리가 6.

대상 데이터

2와 같다. 이 노광기의 광원은 내부의 에탈론 각도를 조정하여 457 nm, 488 nm, 514 nm의 파장 중 하나를 선택하여 발진할 수 있는 Ar+ 레이저이며, 크롬이 코팅된 시편에 위 파장의 광을 노광하여 패턴을 기록할 수 있도록 구성하였다. 대면적 회절광학소자 제작을 위한 XY 스테이지는 각 축 방향으로 최대 200 mm의 행정거리를 가지고 있으며, 리니어모터와 에어베어링 기반으로 구동되며 전 행정 안에서 0.

성능/효과

대표적인 변수인 초점위치 변화, 노광 빛의 광강도 변화, 에칭 시간 변화, 노광 속도 변화에 대해 간단한 실험을 통해 경향성을 파악한 다음, 이 가운데 상대적으로 패턴에 영향이 작은 에칭 시간은 180 s로 고정하고, 나머지 세 가지 변수에 대하여 공정 실험을 좀 더 세밀한 간격으로 반복하여 공정 조건을 잡았다. 그 결과 초점렌즈로부터 시편까지 거리가 6.00 ㎜일 때, 광강도는 50 mW일 때, 노광 속도는 200 mm/s 이상일 때 안정적으로 5 ㎛ 선폭의 패턴이 노광되는 것을 확인하였다. 또한 상기 변수들을 적절히 조정하여 2 ㎛ - 15 ㎛ 사이에서 원하는 선폭의 패턴을 제작할 수 있음을 확인하였다.
또한 상기 변수들을 적절히 조정하여 2 ㎛ - 15 ㎛ 사이에서 원하는 선폭의 패턴을 제작할 수 있음을 확인하였다. 마지막으로 이렇게 잡은 공정 조건을 이용하여 선형 회절광학소자와 사각 회절소자를 제작해 보았고, 이 두 가지 회절광학소자가 설계치에 부합하는 광학적 성능이 나오는 것을 실험적으로 검증하였다.

후속연구

9와 같이 선폭 (Full Width Half Maximum 기준)이 균일하게 측정되었으며, 백색광주사간섭계의 수평방향 정밀도를 50 nm로 감안했을 때 선폭의 오차는 1% 이내임을 확인했다. 추후에 광강도를 낮추거나 노광속도를 높이면 1 ㎛ 이하의 가느다란 선폭도 달성할 수 있으나 노광속도는 스테이지 장비의 최대속도 한계에 따른 제약이 있고, 광강도의 변화는 상대적으로 선폭의 균일성을 저해하기 쉬워 목표 선폭에 대한 추가적인 공정실험이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CGH를 포함한 회절광학소자 제작에서 중요한 점은 무엇인가?	1과 같이 전 세계적으로 레이저 직접 노광법에 기반하여 제작되고 있으며, 통상적으로 CGH의 파면오차5,6는 3부터 10 nm 수준의 정밀도를 갖는다. CGH를 포함한 회절광학소자 제작에 있어서 가장 중요한 점 두 가지는 첫째, 미세 패턴의 정밀한 구현과, 둘째, 전체 회절광학소자 영역에서 패턴의 균일도 유지이다. 본 논문에서는 레이저 직접 노광법을 기반으로 하여, 회절 광학소자를 제작할 때 영향을 줄 수 있는 다양한 공정변수를 바꿔가면서 실험하여 장시간 노광 시 안정적인 패턴을 구현할 수 있는 방법에 대하여 연구를 수행하였다.
	레이저 노광기의 특징은?	반도체 마스크 노광용으로 많이 사용되는 EBeam 노광기는 구축에 비용이 많이 들고 까다로운 환경조건을 만족시켜주어야 한다. 반면 레이저 노광기는 E-Beam 노광에 비해 분해능(선폭)은 상대적으로 크지만 저렴한 비용으로 넓은 면적에 패턴 구현이 가능해 각종 회절광학소자 (DOEs:Diffractive Optical Elements) 및 광학용 필름 제작에 사용되고 있다. 특히 회절광학소자 가운데 비구면 형상을 정밀하게 측정할 수 있는 컴퓨터재생 홀로그램 (CGH: Computer Generated Hologram) 렌즈1-4는 Fig.
	포토레지스트가 코팅된 면에 자외선 파장의 빛을 노출시켜 원하는 패턴을 제작하는 방법의 단점은?	회절광학소자에 미세패턴을 제작하는 대표적인 기법은 포토레지스트 (PR: Photoresist)가 코팅된 면에 자외선 파장의 빛을 노출시켜 원하는 패턴을 제작하는 방법이다. 하지만 이 기법은 점점 대형화 되어 가는 회절소자 제작에 대응하기 어렵고, 공정 단계가 많아 비용 및 시간이 많이 든다.

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