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KR20080085774A - 미세 구조 및 정보기록매체 - Google Patents

미세 구조 및 정보기록매체 Download PDF

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KR20080085774A
KR20080085774A KR1020080025606A KR20080025606A KR20080085774A KR 20080085774 A KR20080085774 A KR 20080085774A KR 1020080025606 A KR1020080025606 A KR 1020080025606A KR 20080025606 A KR20080025606 A KR 20080025606A KR 20080085774 A KR20080085774 A KR 20080085774A
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KR
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light
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layer
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KR1020080025606A
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테츠지 모리
Original Assignee
가부시키가이샤 리코
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Priority claimed from JP2007276730A external-priority patent/JP5526474B2/ja
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Abstract

황 화합물 및 실리콘 산화물을 포함하는 미세 구조가 개시되어 있다. 또한, 기판 및 혼합 무기 재료로 형성되고, 기판 상에 적층되는 기록층을 포함하며, 상기 혼합 무기 재료는 황 화합물 및 실리콘 산화물을 포함하는 1회-기록 정보기록매체가 개시되어 있다.
정보기록매체, 광학소자

Description

미세 구조 및 정보기록매체{MINUTE STRUCTURE AND INFORMATION RECORDING MEDIUM}
본 발명은 미세 구조 및 1회-기록(write-once)(WORM, 또는 write-once read-many) 정보기록매체에 관한 것이다.
최근 나노포토닉스(nanophotonics), 고-밀도 기록 매체, 광학 소자 및 생화학(biochemical) 칩을 포함하는 많은 분야에서 나노미터 스케일부터 마이크로미터 스케일 범위의 크기를 갖는 미세 구조에 대한 연구 및 개발이 수행되고 있다. 광 전자공학을 사용하는 이러한 장치들에 있어서, 가시 광선 영역에서 광학적으로 투명하고 광 손실이 거의 없는 재료가 필수적인 요소이다. 이러한 이유에서, 투명 재료로부터 미세 구조를 제조하는 기술에 대한 연구 및 개발이 활발하게 수행되고 있다.
아연 산화물은 가시 광선 영역에서 광학적으로 투명하며, 자외선을 흡수하는 성질을 갖는다. 아연 산화물은 LED, 투명 트랜지스터, UV 차단 물질, 전자사진 등과 같은 목적에 사용된다.
아연 산화물을 제조하는 방법의 예에는 스퍼터링법, 이온 도금법(일본공개특허 출원번호 2006-117462호 참조) 및 전구체의 열 분해(일본공개특허 출원번호 2007-022851호 참조)가 포함된다.
일반적으로, 1차원 또는 2차원의 주기적인 미세 구조를 갖는 양자선(quantum wire), 양자점(quantum dots) 등을 제조할 때, 전자 빔 노광 시스템, 이온빔 노광 시스템 및 스텝퍼(stepper) 노광 시스템 중 어떤 것들이 사용된다. 그러나, 이러한 노광 시스템들은 진공 공급원을 필요로 하며, 이들은 매우 비싸기 때문에 제조 비용이 높아지게 된다. 이러한 이유에서, 적은 비용으로 수행될 수 있고, 주기적인 미세 구조를 생산할 수 있는 단순한 패터닝이 요구되고 있다.
미세 구조가 규칙적으로 배열되는 주기적 구조에 빛이 조사될 경우, 광 밴드 효과(photonic band effect)와 같은 독특한 현상이 발생할 수 있다. 광 공명(light resonance) 또는 광자 흡수(photon inclusion)를 이용하는 광 도파관(optical waveguide), 광학 필터(optical filter), 광학 스위치(optical switch), 저 임계 레이저(low threshold laser) 등에 상기 주기적 구조가 적용될 수 있으리라고 여겨진다. 또한, 미세 구조가 서브파장(subwavelength) 이하의 간격으로 규칙적으로 배열된 미세 구조 내의 주기적 구조는 프레스넬 반사를 방지하고, 소위 모스-아이(moth-eye) 구조로 불리는 구조에 의해 비-반사 특성을 나타내는 역할을 하는 것으로 알려져 있다(OPTICAL REVIEW, Vol.10, No.2, 2003, 63~73 쪽 참조).
한편, 바이오 기술 분야에서, 분자 및 원자에 선택적으로 조합되는 DNA 칩으로 미세 구조의 사용이 강력하게 요구되고 있다. 상기 DNA 칩은 질병의 원인이 되 는 유전자의 존재를 쉽게 알아낼 수 있도록 하며, 유전자 연구 및 질병 진단에 사용될 수 있다.
DNA 칩은 일반적으로 실리콘 또는 유리로 이루어진 얇은 기판으로 이루어져 있으며, 질병의 원인이 되는 유전자를 구성하는 DNA(디옥시리보핵산, dioxyribonucleic acid)가 DNA 칩에 탑재되어 있다. 환자로부터 채취한 혈액 및 제조된 혈액을 DNA 칩에 떨어뜨리고, 질병의 원인이 되는 유전자가 상기 혈액에 존재할 경우, 상기 혈액 내의 DNA는 DNA 칩의 DNA에 달라붙게 된다. 환자가 아픈지 아닌지 쉽게 판별할 수 있다. 유전자의 거동을 조사할 경우, 질병의 조기 발견과 약물의 부작용 예상을 할 수 있다. 의약 분야에서, 유전자 스크리닝에 대한 요구가 빠르게 커지고 있다.
또한, 2차원 형성물 내에 규칙적으로 배열된 금속 미세 구조에 있어서, 표면 플라즈몬 여기(surface plasmon excitation)에 의한 빛(light)과 분자 간의 상호 작용(interaction)을 사용하는 적용 배치(application deployment)가 예상된다.
미세 구조 및 미세 구조가 규칙적으로 배열된 주기적 구조를 제조하는 종래의 방법으로 반도체 마이크로패브릭(microfabrication)에서 광학 리소그라피법이 사용되었다. 상기 종래의 방법은 고가의 전자-빔 리소그라피 시스템이 요구되기 때문에, 비용이 높다는 문제점이 있었다. 또한, 제조되는 미세 구조의 크기는 생산 장비의 성능에 따라 결정된다.
한편, 마스크(mask)가 제조되고, 상기 종래 방법은 대량 생산에 적합하다는 장점을 가지고 있다. 그러나, 상세 변경(specification change) 시의 단순 회로 디 자인 및 실험 단계에서의 단순한 실험인 경우에는 적합하지 못하다.
3-차원 미세 구조 또는 레이저 빔에 의한 2-광자 흡수를 이용하는 2-차원 광자 결정을 제조하는 방법이 또한 알려져 있다(일본공개특허 출원 번호 2003-001599 및 2005-122002 참조). 그러나, 상기 제조 방법은 많은 시간이 소요되고, 사용되는 재료가 광중합 반응에 의해 제조될 수 있는 수지에 한정된다. 이러한 이유에서, 자원을 절약할 수 있는, 단순하고, 저렴한 미세 구조 제조 방법이 요구되고 있다.
미세 구조 또는 미세 구조가 규칙적으로 배열된 주기적 구조의 반전 구조(reversal structure)를 형성하는 종래의 방법으로는 사출 성형(injection molding)을 포함하는 엠보싱 공정(emboss processing)을 사용한다. 최근 몇년동안 나노-크기 구조의 반전 구조를 정밀하게 전사하는 나노 임프린트 기술이 개발되었다. 광 중합 또는 열 중합을 사용하는 나노 임프린트 기술은 충분히 높은 정밀성을 갖는 반전 구조의 마스터 몰드를 제조할 수 있으며, 이는 대량 생산에 적합하다. 반전 구조를 광자 결정으로 사용할 경우, 마스터 몰드로부터 다른 효과가 발생한다.
최근 몇 년동안, 광학 리소그라피를 이용한 마이크로조립(microfabrication)에 비해 비용 효율이 우수한 열 리소그라피법이 저-비용 제조 방법으로 관심을 받고 있다. 열 리소그라피법은 흡열층(endothermic layer)(레이저 빔이 조사되었을 때, 광 흡수층으로 작용하는 층)이 가열될 때, 가열된 부분의 특성(빛 투과율, 반사율, 전도성, 내화학 부식성 등)이 변한다는 원리를 이용하는 마이크로조립 기술이다. 빛이 조사된 영역의 온도 분포는 가우시안 분포로 변하며, 분포 중심의 고온 범위의 영역은 광 스팟(light spot) 영역의 약 1/10이며, 그 영역만이 특성이 변한다. 따라서, 미세한 패턴의 조립이 가능하다.
일본공개특허 출원 번호 2005-158191에는 지지 기판 위에 제1유전체층, 광 흡수층 및 제2 유전체층을 차례로 적층하는 단계, 레이저 빔을 방출하여 정보를 기록하는 단계 및 습식 에칭에 의해 제2유전체층의 비-기록 영역을 제거하고, 제2유전체층의 볼록 부분을 형성하는 단계를 적어도 하나 포함하는 광학 기록 매체의 제조 방법이 기재되어 있다.
일본공개특허 출원번호 2005-158191에 기재된 상기 방법에서, 형성된 제2유전체층의 볼록 부분은 직사각형 또는 역 방향으로 가늘어지는 형상의 단면을 가지며, 내식각성이 열 분포(가우시안 분포. Guaussian distribution)의 최대값의 근방에서만 증가하기 때문에, 볼록 부분의 크기는 빛의 회절 한계(diffraction limite)보다 작다. 레이저 빔을 흡수하는 광 흡수층 위의 제2유전체층의 내식각성이 증가하면, 상기 볼록 부분이 형성된다. 그러나, 많은 용도에서 상기 광 흡수층의 제거가 요구되기 때문에, 광 흡수층의 형성 없이, 상기 볼록 부분을 형성하는 것이 요구된다. 또한, 제2유전체층에 오목 부분을 형성할 때, 오목 부분의 말단이 거칠어진다는 문제점이 있다.
서브파장(subwavelength) 구조 또는 광자 결정의 미세 구조를 갖는 광학 소자가 최근 요구되고 있다. 이러한 미세한 구조의 적용은 광학 소자에 제한되지 않는다. 예를 들면, 유기 EL(organic electro-luminescence, OEL) 디스플레이 또는 유기 발광다이오드 디스플레이(organic light-emitting diode display, OLED)는 유 기 화합물을 이용한 차세대 발광(light-emitting) 디스플레이이다. 종래의 디스플레이와 비교할 때, OLED에 의해 방출되는 빛은 밝고, 깨끗하며, 시야각이 넓고, 디스플레이가 얇은 타입이며, 작동 온도의 범위가 넓다. OLED는 뛰어난 특성을 갖는 디스플레이로 보인다. 또한, OLED의 발광 효율은 2차원 광자 결정 구조와 조합됨으로써 향상된다는 것이 알려져 있다. 예를 들면, "M.후지타, T.우에노, T.아사노, S.노다, H.오하타, T.츠지, H.나카다 및 N.시모지, Electronics Letters, Vol. 39, 1750쪽(2003)", "Y.리 S.김, J.허, G.김 및 Y. 리, Applied physics Letters, Vol.82, 3779쪽(2003)", "M.기타무라, S.이와모토 및 Y.아라카와, Japenese Journal of Applied Physics, Vol.44, 2844쪽 (2005)", "K.이시하라, M.후지타, I.마츠바라, T.아사노 및 S.노다, Japenese Journal of Applied Physics, Vol.45, No.7 L210 쪽 (2006)", 및 "M.후지타, K.이시하라, T.우에노, T.아사노, S.노다, H.오하타, T.츠지, H.나카다 및 N.시모지, Japenese Journal of Applied Physics, Vol.44, 3669쪽 (2005)"를 참조하라.
또한, 태양 전지와 같은 광전자 변환 장치에서 미세 구조물의 필요성이 알려져 있다. 태양전지는 단결정 실리콘(single crystal silicon), 다결정 실리콘(polycrystalline silicon), 비결정 실리콘(amorphous silicon) 등으로 제조되는 건식 태양 전지 및 그래첼 전지(Graetzel Cell) 또는 염료 감응형 태양 전지(dye-sensitized solar cell)와 같은 습식 태양 전지로 구분된다. 염료 감응형 태양 전지에서, 티타늄 산화물이 반도체 전극으로 사용된다. 그러나, 이론적으로는 다른 산화물 반도체들을 사용하는 태양 전지를 얻을 수 있으며, 상기 목적을 위해 다양 한 연구가 진행 중이다.
본 발명은 일 측면에서, 상기한 문제점들을 해결할 수 있는 향상된 미세 구조가 개시된다.
본 발명은 일 측면에서, 열 리소그라피법을 사용하여 손쉽게 제조할 수 있는 미세 구조가 개시된다.
본 발명은 일 측면에서, 열 리소그라피법을 사용하여 손쉽게 제조할 수 있는 미세 구조 제조 방법이 개시된다.
본 발명은 일 측면에서, 낮은 비용으로 제조할 수 있고, 그 내부에 미세한 기록 마크(recording mark)를 형성할 수 있는 1회 기록(write-once) 정보 기록 매체가 개시된다.
상기한 문제점들 중 하나 이상을 해결하거나, 경감시키는 본 발명의 구현예에는 황 화합물 및 실리콘 산화물을 포함하는 미세 구조가 개시되어 있다.
상기 미세 구조는 굴곡진 표면(curved surface)을 갖는 볼록 형상, 굴곡진 표면을 갖는 볼록 구조가 실린더 구조 상에 형성된 형상 및 실린더 형상 중 어느 하나가 되도록 정해질 수 있다.
상기 미세 구조는, 굴곡진 표면을 갖는 볼록 형상, 굴곡진 표면을 갖는 볼록 구조 형태가 실린더 구조 상에 형성된 형상 및 실린더 단면이 연속적으로 형성된 형상 중 어느 하나가 되도록 정해질 수 있다.
상기 미세 구조는, 상기 황 화합물이 ZnS를 함유하도록 정해질 수 있다.
상기 미세 구조는, 상기 황 화합물이 정해진 파장을 갖는 빛에 대한 광 흡수능을 향상시키기 위한 제1 황 화합물을 함유하도록 정해질 수 있다.
상기 미세 구조는, 상기 황 화합물이 FeS 및 GeS2 중 적어도 하나를 함유하도록 정해질 수 있다.
상기 미세 구조는, 상기 미세 구조가 정해진 파장을 갖는 빛에 대한 광 흡수능을 향상시키기 위한 재료들을 더 포함하도록 정해질 수 있다.
상기 미세 구조는, 상기 정해진 파장을 갖는 빛에 대한 광 흡수능을 향상시키기 위한 재료들이 Al, Ag, Au, Cu, Zn, Pt, Sb, Te, Ge, Si, Bi, Mn, W, Nb, Co, Sr, Fe, In, Sn, Ni, Mo, Mg 및 Ca 중 적어도 하나를 포함하도록 정해질 수 있다.
상기 미세 구조는, 상기 미세구조가 정해진 파장을 갖는 빛에 대한 광 흡수능을 향상시키기 위한 재료의 산화물을 더 포함하도록 정해질 수 있다.
상기 미세 구조는, 상기 정해진 파장을 갖는 빛에 대한 광 흡수능을 향상시키기 위한 재료가 제2 황 화합물 및 아연 화합물 중 적어도 하나를 포함하도록 정해질 수 있다.
상기 미세 구조는, 상기 정해진 파장을 갖는 빛에 대한 광 흡수능을 향상시키기 위한 재료가 ZnTe, ZnSe 및 MnS 중 적어도 하나를 포함하도록 정해질 수 있다.
상기 미세 구조는, 상기 정해진 파장을 갖는 빛에 대한 광 흡수능을 향상시키기 위한 재료가 형광 재료(fluorescent material)을 포함하도록 정해질 수 있다.
상기 미세 구조는, 상기 형광 재료가 CdSe 또는 CdTe가 되도록 정해질 수 있다.
상기 미세 구조는 상기 실리콘 산화물의 함량 %이 10몰% 내지 20몰% 사이의 범위에 있도록 정해질 수 있다.
상기한 문제점들 중 하나 이상을 해결하거나 또는 경감시키는 본 발명의 일 구현예에는 미세 구조의 제조 방법이 개시되어 있으며, 상기 방법은 기판 상에 황 화합물 및 실리콘 산화물을 함유하는 층을 형성하는 단계; 상기 황 화합물 및 실리콘 산화물을 함유하는 층에 레이저 빔을 조사하는 단계; 상기 레이저 빔에 의해 조사된 층을 식각하여 미세 구조를 형성하는 단계들을 포함하여 이루어지며, 이때 상기 황 화합물이 정해진 파장을 갖는 빛에 대한 광 흡수능을 향상시키기 위한 제1황화합물을 포함하거나, 또는 상기 황 화합물 및 실리콘 산화물을 함유하는 층이 광 흡수능을 향상시키기 위한 재료를 더 포함한다.
상기한 문제점들 중 하나 이상을 해결하거나, 경감시키는 본 발명의 일 구현예에는 기판; 및 혼합 무기 재료로 형성되고, 상기 기판 상에 적층되는 기록층을 포함하여 이루어지는 1회-기록(write-once) 정보 기록 매체(information recording medium)가 개시되어 있으며, 이때 상기 혼합 무기 재료는 황화합물 및 실리콘 산화물을 포함한다.
상기 1회-기록(write-once) 정보 기록 매체(information recording medium)는, 상기 혼합 무기 재료가 상기 황 화합물 및 실리콘 산화물과 다르고, 금속, 반금속(semimetal) 및 반도체 중에서 선택되는 무기물을 더 포함하며, 상기 기록층은 정해진 파장을 갖는 빛에 대한 광 흡수능이 상기 무기물들을 포함하지 않는 동일한 두께의 기록층의 광흡수능보다 우수하도록 정해질 수 있다.
상기 1회-기록(write-once) 정보 기록 매체(information recording medium)는 상기 1회-기록(write-once) 정보 기록 매체(information recording medium)에 상기 기판상에 적층되는 유전체층 및 반사층이 더 포함되도록 정해질 수 있다.
상기 1회-기록(write-once) 정보 기록 매체(information recording medium)는 상기 무기 재료가 황 화합물 및 실리콘 산화물을 구성하는 성분들을 포함하도록 정해질 수 있다.
상기 1회-기록(write-once) 정보 기록 매체(information recording medium)는 상기 무기 재료가 Al, Ag, Au, Cu, Zn, Pt, Sb, Te, Ge, Si, Bi, Mn, W, Nb, Co, Sr, Fe, In, Sn, Ni, Mo, Mg, Ca, Pb 및 Ba 중에서 선택되는 적어도 하나의 성분을 포함하도록 정해질 수 있다.
본 발명의 구현예들에 의하면, 열 리소그라피법(heat lithography)을 사용하여 손쉽게 제조되는 미세 구조 및 열 리소그라피법(heat lithography)을 사용하여 미세 구조를 손쉽게 제조하는 미세 구조 제조 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 구현예들에 의하면, 미세 구조를 이용한 기판 패터닝 방법 및 미세 구조를 포함하는 구조물, 정보 기록 매체, 마스터 기판, 광학 소자, 광학 통신 장치, DNA 칩, 발광 장치(light emitting device), 광전자 변환기(photoelectric transducer) 및 광학 렌즈를 제조할 수 있다.
본 발명의 구현예들에 의하면, 저렴한 비용으로 제조할 수 있고, 그 내부에 미세 기록 마크(minute recording mark)를 형성할 수 있는 1회-기록(write-once) 정보 기록 매체(information recording medium)를 제조할 수 있다.
첨부 도면을 참조하여 본 발명의 구현예에 대해 상세하게 설명한다.
본 발명의 구현예 1의 미세 구조는 적어도 1종의 황 화합물(재료 A라 함) 및 적어도 1종의 실리콘 산화물(재료 B라 함)을 포함하는 혼합 성분을 포함한다. 재료 A가 포함될 경우, 미세 구조를 형성할 때 열에 의한 소성(sintering)이 향상되며, 재료 B가 포함되면, 식각을 이용한 패터닝이 가능하다. 미세 구조의 형상이 반영된 광학 비반사 필름 또는 광자 결정의 설계가 가능하며, 미세 구조의 굴절율을 쉽게 조절할 수 있다.
재료 A의 예로는 ZnS, CaS, BaS, CdS, K2S, Ag2S, GeS, CoS, Bi2B3, PdS, Na2S, Cu2S, CuS, Al2S3, Sb2S3, SmS, PbS, Na2S, LiS, SiS, SiS2 및 사용가능한 2 이상의 화합물을 포함하는 임의의 조합을 사용할 수 있다. 이들 중에서, 특히 ZnS가 재료 B와 쉽게 혼합될 수 있고, 저렴한 비용으로 스퍼터링 타겟으로 사용될 수 있기 때문에 바람직하다. 레이저 빔에 의한 광 조사 또는 가열에 의해 결정성이 향상되기 때문에, 조사 영역과 비조사 영역 사이에 내식각성에 차이가 발생한다. 이러한 원리를 이용하여 미세 구조를 형성할 수 있다. 또한 미세 구조의 굴절율 역시 조절할 수 있다. 따라서, 열 리소그라피법에 의한 방법이 가능하며, 적합한 광학 특성을 가지는 광학 소자 및 정보기록매체를 얻을 수 있다.
재료 B는 주로 SiO2이며, 거기에 SiO를 함유할 수 있다. SiO는 타겟을 제조할 때 또는 혼합 재료층을 형성할 때 산소 부족으로 인해 형성될 수 있다.
본 발명의 구현예 2의 미세 구조는 황 화합물(재료 A'라 함), 재료 B 및 정해진 파장을 갖는 빛에 대한 광 흡수능을 향상시키는 재료(재료 C라 함)을 함유하는 혼합 성분 또는 정해진 파장을 갖는 빛에 대한 광 흡수능을 향상시키기 위한 재료 A' 및 재료 B를 함유하는 혼합 성분을 포함한다. 열 리소그라피법을 이용함으로써 광 흡수층을 갖지 않는 기판 상에 상기 미세 구조를 형성할 수 있다.
상기 미세 구조의 크기는 수십 나노미터 내지 수백 나노미터의 범위 내인 것이 바람직하다. 이러한 크기는 고-밀도-기록매체의 기록 마크(recording mark)의 크기 또는 주기적 구조의 구성 단위의 크기에 상당한다. 후자의 경우, 정해진 파장을 갖는 빛에 대한 광 흡수능을 향상시키기 위한 재료 A'는 재료 C 또는 정해진 파장을 갖는 빛에 대한 광 흡수능을 향상시키지 않는 재료 A'과 함께 사용될 수 있다.
광 흡수능에 대한 설명을 제공한다. 광 흡수능을 갖는 기판은 빛을 반사하는 동시에 빛을 흡수한다. 빛의 흡수량은 빛이 물질에 침투된 깊이 z에 따라 다양하며, 그 소화 계수(extinction coefficient) k에 의해 빛의 흡수량이 정해진다. 소화계수(extinction coefficient) k는 하기 비어 법칙(Bear's law)으로 표현된다.
I=Io exp(-αz), α = 4πk/λ
이때 I는 기판 투과 후의 빛의 세기를 나타내며, Io는 기판 투과 전의 빛의 세기를 나타내고, α는 흡수 상수(absorption coefficient)를 나타내며, λ는 빛의 파장을 나타낸다.
즉, 만일 상기 빛이 물질에 침투된 깊이(물질의 두께)가 증가하면, 상기 물질은 더 많은 양의 빛을 흡수하며, 상기 물질을 통과한 빛의 세기는 감소한다. 본 발명에 의한 광 흡수능의 향상은 상기 관련 재료들을 포함하는 미세 구조의 소화 계수 k가 관련 물질을 포함하지 않는 동일한 두께의 미세 구조의 소화 계수보다 커지는 것을 의미한다.
소화 계수 k의 파장 의존도는 재료에 따라 다양하다. 예를 들면, 특정 재료의 k가 가시광선 영역에서 작을지라도, 자외선 영역에서는 동일한 재료의 k가 크다. 이러한 점들을 고려할 때, 혼합 재료들에 조사할 레이저 빔의 파장을 선택할 필요가 있다. 사용되는 레이저 빔의 파장은 이로써 제한되는 것은 아니나, 원-자외 레이저광(deep-ultraviolet laser light), 가시광 레이저광, 적외선 레이저광 등이 사용될 수 있다. 특히, 가격이 저렴하고, 다중 펄스 광선 조사를 수행할 수 있기 때문에 적색 반도체 레이저 빔(red semiconductor raser beam) 및 청색 반도체 레이저 빔(blue semiconductor raser beam)이 바람직하다. 사용되는 광원의 예들에는 가시광 레이저, F2 레이저, ArF 레이저, KrF 레이저 등이 포함될 수 있다. 이들 중에서도, 가시광 반도체 레이저가, 저렴한 비용으로 얻을 수 있고, 손쉽게 사용할 수 있기 때문에 바람직하다.
소화 계수 k 및 굴절율 n의 측정은 분광타원계(spectroscopic ellipsometer) 를 이용하여 수행할 수 있다. 상기 소화계수 k는 굴절율 n과 함께 빛의 파장에 따라 다양하다. 예를 들면, ZnS-SiO2 (몰 비율 80:20)의 경우, 405nm 레이저 광(청색)에 대해서는 n이 약 2.33이고, k는 약 1×10-3이고, 350nm 레이저 광(자외선)에 대하여는 n이 약 2.33이고, k는 약 1×10-2이며, 680nm 레이저광(적색)에 대하여는 n이 약 2,16이고, k는 약 1×10-8이다. 미세 구조에 재료 C를 첨가하면, 굴절율 n 및 소화 계수 k를 조절할 수 있다.
재료 A 이외에 재료 A'의 예는 FeS 및 GeS2와 같은, 광 흡수능을 향상시키는 재료일 수 있다. 2종 이상의 재료 A'을 혼합하여 사용할 수 있다. 이들 중에서, ZnS는 재료 B와 쉽게 혼합될 수 있고, 저렴한 비용으로 스퍼터링 타겟으로 얻을 수 있어 바람직하다. ZnS는 가시 광선 영역에서 거의 투명하며, 미세 구조에 재료 C를 첨가하면, 미세 구조의 가시광에 대한 투과도를 조절할 수 있다.
본 발명의 미세 구조의 예로 ZnS(재료 A'), SiO2(재료 B) 및 금속 또는 반도체(재료 C)를 함유하는 혼합 재료로 형성된 미세 구조의 예를 설명한다.
SiO2는 플루오르화수소산에 대한 내식각성이 거의 없으며, 다음 식에 따라 반응한다 : SiO2 + 6HF → H2SiF6 + H2O 혼합 재료로 형성된 층은 플루오르수소산 에서 식각되고, 가시광선 영역의 레이저광을 흡수한다. 가열된 혼합 재료의 플루오르화수소산에 대한 내식각성이 향상되어 비-식각 상태로 남게 되며, 미세 구조가 남게 된다.
특히, 상기 혼합 재료이 주어진 출력 전원 이상을 갖는 가시광선 영역의 레이저 광을 흡수하여 가열될 경우, ZnS 및 SiO2의 일종의 결정화가 발생하며, 플루오르화수소산에 대한 내식각성이 향상된다. 이때 상기 혼합 재료 내의 ZnS 함량%이 60중량% 미만이면 플루오르화수소산에 대한 내식각성이 충분하지 않을 수 있다.
혼합 재료를 식각하기 위해서, SiO2가 필요하다. 그러나, 혼합 재료 내의 SiO2의 함량 %가 10몰% 미만이면, 가시광선 영역의 레이저광을 흡수하지 않은 경우에도 플루오르화수소산에 대한 약간의 내식각성이 나타난다. 혼합 재료 내의 SiO2의 함량%가 30몰%를 초과하면, 미세 구조가 남지 않을 수 있다. ZnS-SiO2는 가시 광선을 투과시킨다. 상기 혼합 재료가 가시 광선을 흡수하고, 열을 발생시키는 재료 C를 포함하지 않는 경우, 가시 광선 영역의 레이저로 조사하더라도 가열이 충분하지 않을 수 있다. 재료 C로 유기 재료를 사용할 경우, 가열이 불충분할 수 있다. 이는 이러한 경우에 유기 재료의 첨가가 소화계수 k를 향상시키지 않기 때문이다.
이러한 이유에서, 상기 재료 C는 반도체 재료 또는 금속 재료인 것이 바람직하다. 혼합 재료로 형성되는 상기 층은 스퍼터링법에 의해 형성될 수 있지만, 동시 용접 슬래그(simultaneous weld slag) 이외의 혼합 타겟(mixed target)의 용접 슬래그(weld slag)를 사용할 수 있다. 재료 A' 및 재료 B 및 재료 C의 파우더를 혼합하고, 소결물(sinter)로 만듦으로서 혼합 타겟(mixed target)을 제조할 수 있다.
상기 재료 C는 재료 A'과 다른 아연 화합물 또는 황 화합물을 포함하는 것이 바람직하다. ZnS가 재료 A'으로 사용된 경우, 상기 재료 A'에 함유된 황 또는 아연이 재료 C에 포함되며, 이는 미세 구조의 말단 형상을 매끄럽게 만든다. 재료 C의 예에는 ZnTe, ZnSe, MnS 등이 포함될 수 있으며, 이로써 제한되는 것은 아니지만, 이들은 스퍼터링 타겟으로 공급받을 수 있다. 이들 중 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
재료 C의 예에는 Al, Ag, Au, Cu, Zn, Pt, Sb, Te, Ge, Si, Bi, Mn, W, Nb, Co, Sr, Fe, In, Sn, Ni, Mo. Mg, Ca 등이 포함될 수 있으며, 이들 중 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 이러한 재료 C의 예에는 InSb, AgInSbTe, GeSbTe, ZnMgTe, CsZnTe, SbZn과 같은 임의의 합금 및 ZnMgSSe, ZnCrO4, ZnZrO3, ZnWO4, ZnTiO3, Zn3N2, ZnF2, ZnSnO3 및 ZnMoO4와 같은 화합물 중 어느 것이 포함될 수 있다. 이러한 재료들은 스퍼터링 타겟으로 손쉽게 얻을 수 있으며, 미세 구조의 굴절율을 조절할 수 있다.
상기 재료 C는 형광 재료를 함유하는 것이 바람직하다. 자외선 또는 가시 광선에 조사될 때, 형광성을 탐지함으로써 미세 구조의 위치를 체크할 수 있다. 이러한 이유에서, 형광 반도체 양자점의 형광성 검출을 이용하여 특정 부분을 탐지해낼 수 있으며, 정보기록매체로서의 사용이 가능하다. 형광 재료로, CdSe, CdTe 등을 들 수 있으며, 2종 이상을 함께 사용할 수 있다. 이러한 형광 재료들은 높은 형광 특성을 가지고 있으며, 쉽게 구할 수 있다.
레이저 빔이 조사될 때, 상기 재료 C가 산화될 수 있다. 재료 C가 산화되는 정도는 레이저 빔의 조사 조건(펄스 광 출력, 펄스 너비), 재료 C의 종류, 재료 A', 재료 B, 재료 C의 조성 등에 기초한다.
한편, 재료 A'가 Si 기판 상에 사용되고, 재료 B와 재료 C의 복합타겟 스퍼 터링이 수행된 다음에 전기로를 사용하여 30분 동안 열 경화(어닐링, annealing)를 수백번 동안 수행한다면, 경사 입사(oblique incidence) X-선 회절 실험에서 상기 재료 C의 산화물 피크를 볼 수 있을 것이다.
예를 들면, 200nm 두께의 ZnS, SiO2 및 Zn으로 이루어진 필름이 Si 기판 상에 형성될 때, ZnO의 피크는 나타나지 않는다. 그러나 500℃에서 30분간 어닐링을 수행한 경우에는 ZnO의 피크가 나타난다. 이로써 Zn(재료 C)의 적어도 일부가 산화되어 ZnO이 생성되었음을 예상할 수 있다.
유사하게, ZnS, SiO2 및 Mn의 경우에도, 어닐링 전에는 Mn3O4의 피크가 나타나지 않지만, 어닐링 후에는 Mn3O4의 피크가 나타난다. 레이저 빔에 의해 조사될 때, 레이저 빔의 조사 영역이 어느 정도 가열되는지와, 어떤 속도로 냉각되는지는 분명하지 않다. 그러나, 정해진 양의 재료 C가 플루오르화수소산에 의해 식각된 미세 구조 내에서 또한 산화될 수 있다. 이러한 이유에서, 다음 구현예들에서는, 비록 미세 구조의 조성이 레이저 빔 조사 전과 동일한 것으로 기재되어 있으나, 상기 미세 구조에 재료 C의 산화물이 포함될 경우도 있다. 따라서, 재료 C가 정해진 양으로 산화된다면, 미세 구조의 강도가 향상될 수 있다. 특히, 미세 프로브(probe)를 이용하여 측정한 상기 미세 구조의 강도는 미세 구조 형성 전의 얇은 필름의 강도보다 높다. 이때, 투과도 및 굴절율과 같은 광학 특성들 또한, 재료 C의 산화에 의해 변화된다. 본 발명의 미세 구조의 형상은, 이로써 한정되는 것은 아니나, 반구형 표면과 같이 굴곡진 표면을 갖는 볼록 형상일 수 있다. 이러한 미세 구조의 마이크로조립이 X선 또는 광학 리소그라피법을 이용하여 수행되면, 비용이 비싸다. 열 리소그라피법을 사용하여 낮은 비용으로 상기 미세 구조를 제조할 수 있으며, 이는 광학 소자 또는 나노임프린팅의 마스터 몰드에 적용할 수 있다. 미세 구조에서의 물리적 특성 또는 화학 특성 분포를 형성함으로써, 광학 소자를 얻는다.
굴곡진 표면을 갖는 볼록 형상의 미세 구조의 말단은 매끄럽게 형성되며, 상기 미세 구조는 굴곡진 표면을 갖는다. 그러나 제조 조건에 따라 뾰족한 모서리 또는 평평한 측면이 형성될 수도 있다. 3차원에서, 굴곡진 표면을 갖는 영역은 혼합 재료로 형성된 층들을 주로 조사하는 레이저 빔의 열 분포를 따르는 미세 구조의 형상으로부터 나온다.
레이저 빔이 조사되지 않은 영역은 플루오르화수소산에 의한 습식 식각을 수행함으로써 제거되고, 미세 구조는 볼록 형상의 역할을 수행한다. 이러한 이유에서, 이것을 광-경화 타입의 수지 등을 이용하여 전사하면, 전사된 기판에 오목 형태의 패턴을 형성할 수 있다.
본 발명의 미세 구조는 반구형 표면과 같이 굴곡진 표면을 갖는 볼록 구조가 실린더 구조 상에 형성되어 있는 형상일 수 있다. 이러한 미세 구조는 2-단계 구조를 가지므로, 인접한 굴곡진 표면을 갖는 볼록 구조물들 사이에 틈새(gap)가 유지될 수 있고, 형광성을 이용하는 정보기록매체에서 기록 마크(recording mark)들을 깨끗하게 분리할 수 있다. 또한, 이러한 형태를 반영하는 광학 비반사 필름 및 광자 결정이 설계될 수 있으며, 굴절율이 조절될 수 있다. 감광 부분(sensitization part)에서 화학적 변화가 일어나는 포토리소그라피에서는, 이러한 형태의 미세 구조가 제조될 수 없다.
본 발명의 미세 구조는 실린더 형상일 수 있다. X-선 또는 광학 리소그라피법을 이용하여 마이크로조립(microfabrication)이 수행될 경우, 상기 구조의 제조 비용이 비쌀 수 있다. 그러나, 열 리소그라피법을 이용하면 낮은 비용으로 상기 구조를 형성할 수 있으며, 상기 구조를 광학 소자 또는 나노임프린팅(nanoimprinting)의 마스터 몰드에 적용할 수도 있다. 또한, 이러한 형상을 반영하는 광학 비반사 필름 및 광학 결정을 설계할 수 있고, 그 굴절율이 조절될 수 있다. 감광 부분(sensitization part)이 화학적 변화를 보이는 포토리소그라피법이 사용될 경우, 이러한 형상을 갖는 미세 구조를 제조하기 어렵다.
본 발명에서, 미세 구조의 지름은 펄스 광 출력(pulsed light output) 및 펄스 너비(pulse width)(조사 시간(irradiation time))를 변화시킴으로써, 광점(light spot) 크기부터 상기 광점 크기의 약 1/4의 크기까지 변화될 수 있다. 예를 들면, 405nm의 파장을 갖는 레이저빔을 0.85의 NA를 갖는 대물렌즈를 이용하여 집광할 경우, 상기 미세 구조의 지름은 80-400nm의 범위에서 임의로 변화될 수 있다.
본 발명의 미세 구조는 굴곡진 표면을 갖는 볼록 형상, 굴곡진 표면을 갖는 볼록 구조가 실린더 구조 상에 형성된 형상 및 단면적이 연속적으로 형성된 실린더 형상 중 어느 하나일 수 있다. 이러한 선형 미세 구조는 혼합 재료로 형성된 층을 연속적으로 노광함으로써 형성될 수 있으며, 회절 격자, DNA 칩 등에 적용될 수 있다.
상기 미세 구조의 말단의 매끄러움(smoothness)은 레이저 빔의 연속적인 조 사에 의해 형성된 선형 미세 구조의 라인 엣지 러프니스(line edge roughness, LER)에 의해 평가될 수 있다. 상기 미세 구조를 레지스트로 사용하여 기판이 식각되는 경우. 이러한 경우에 본 발명의 상기 미세 구조는 전자-빔 리소그라피법에서 사용되는 매크로분자 레지스트와 다른 특성을 갖는다. 매크로분자 레지스트에서, 상기 패턴이 미세할 경우, 매크로분자 그 자체는 수 나노미터의 크기를 갖으며, 상기 레지스트의 LER도 역시 수 나노미터로 결정된다.
반면, 본 발명의 미세 구조에서, LER은 1nm 이하로 결정될 수 있다. 최근, 전세계 반도체 기술 로드맵(International Technology Roadmap for Semiconductor, ITRS)에서 "LER"이라는 용어를 "LWR"(light width roughness)로 변경하였다. LER 측정 기준이 엄격하게 정의되지는 않았으나, 본 발명에서 LER은 측정 라인 길이가 2 마이크로미터, 측정 갭이 10nm이 되도록 측정되었으며, 상기 LER은 최소자승법(minium square method)에 의해 직선의 3σ로부터 측정되었다.
본 발명의 미세 구조는 정보 기록 매체, 마스터 기판, 광학 소자, 마그네틱 기록 매체, DNA 칩, 바이오센서, DNA 컴퓨터, DNA 메모리, 바이오분자 집적 장치(biomolecule integrated device) 등에 적용될 수 있다.
본 발명의 미세 구조의 제조 방법은 기판 상에 재료 A' 및 재료 B와 재료 C를 함유하는 혼합 재료로 형성된 층을 형성하는 단계, 상기 혼합 재료로 형성된 층을 레이저 빔에 의해 부분적으로 노광하는 단계, 및 상기 혼합 재료로 형성되고, 레이저 빔에 의해 노광된 층의 식각을 수행하는 단계를 포함한다. 이러한 이유에서, 부분적으로 가열되어, 내식각성이 변화된 혼합 재료의 습식 또는 건식 식각을 통해 매끄러운 말단을 가진 미세 구조를 제조할 수 있다.
본 발명의 미세 구조가 형성된 구조물을 제조할 수 있다. 레이저 빔을 부분적으로 조사하는 대신, 부분적으로 열을 가할 수도 있으나, 레이저 빔이 직접성 및 안정성 면에서 더 우수하므로, 공정 정밀성 측면에서 레이저 빔을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 기판 패터닝 방법은 기판 상에 재료 A', 재료 B 및 재료 C를 포함하는 미세 구조를 형성하는 단계 및 상기 미세 구조를 마스크로 사용하여 상기 기판을 식각하는 단계를 포함한다. 이때, 마스크로 사용되는 상기 미세 구조는 필요에 따라 제거될 수 있다. 따라서, 상기 패턴이 형성된 기판은 마스터 기판, 광학 소자, DNA 칩, 발광 소자, 광전자 변환기 등에 적용될 수 있다.
본 발명의 구조물이 기판 상에 본 발명의 미세 구조를 가지고 있으나, 본 발명의 상기 구조물은 상기 미세 구조가 주기적으로 배열된 영역(주기적 영역(periodic area)이라 함)을 갖는 것이 바람직하다. 상기 주기적 영역에 의해 특정 파장 밴드의 빛을 반사시키는 광 밴드 갭(optical band gap)을 이용하는 광학 필터 및 광학 스위치를 얻을 수 있다.
상기 주기적 영역(periodic area)에서, 정해진 파장 밴드의 빛에 대한 투과도가 상기 미세구조들이 배열되지 않는 경우보다 높은 것이 바람직하다. 이에 의해, 정해진 파장 밴드의 빛에 대해 비반사 특성을 보이는 모스-아이(moth-eye) 구조에 의해 광학 비반사 필름을 얻을 수 있다.
본 발명의 구조물에 상기 미세 구조가 배열되지 않은 영역(비-주기 영역이라 함)이 포함되는 경우, 상기 주기적 영역 및 비-주기 영역의 구별을 사용하는 정보 기록 매체 및 주기적 영역 내에 비-주기 영역을 포함하고, 상기 주기 영역에 의해 특정 파장 밴드의 빛을 반사시키는 광 밴드 갭을 이용하는 광 도파관을 얻을 수 있다. 정보기록매체에 사용되는 본 발명의 상기 미세구조에서, 상기 재료 C는 형광 재료를 포함한다.
본 발명의 기판의 패터닝 방법을 이용하여 기판 상에 제조된 패턴은 전사(transfer)되고 재현(reproducuce)될 수 있으며, 상기 기판 상에 형성된 미세 구조도 전사되고 재현될 수 있다. 재현시에, 상기 패턴 및 상기 미세 구조는 나노 임프린팅 기술을 통해 주 성분으로 수지를 포함하는 재료로 전사될 수 있다. 이러한 방법은 마스터 기판, 광학 소자, DNA 칩, 발광 장치, 광전자 변환기, 광학 렌즈 등을 제조할 때 사용될 수 있다.
본 발명의 미세 구조가 기판 상에 주기적으로 배열된 영역을 포함하는 구조물을 사용하여 본 발명의 마스터 기판을 제조한다. 이러한 이유에서 본 발명의 마스터 기판의 제조 비용은 종래의 광학 리소그라피법을 이용하는 마스터 기판보다 저렴하며, 기록 패턴을 선명하게 만들 수 있다. 광학 정보 기록 매체 등을 제조할 때, 이러한 마스터 기판을 사용할 수 있다.
본 발명의 미세 구조가 기판 상에 주기적으로 배열된 영역을 포함하는 구조물을 이용하여 본 발명의 광학 소자를 제조한다. 상기 광학 소자의 예에는 회절 격자, 편광분리소자, 광학 필터, 광학 스위치, 광학 비반사 필름 및 광 도파관이 포함될 수 있다.
본 발명의 광학 소자는 파장 다중 전기통신(wavelength multiple telecommunication)에 사용되는 파장 다중화 장치(wavelength multiplexing devive)와 같은 알려진 광학 통신 장치에 적용될 수 있다. 도 31에 도시된 바와 같이, 하나의 광 섬유 301을 사용하여 몇 개의 다른 파장(λ1, λ2 및 λ3)의 광 신호를 통신하는 파장 다중 전기통신(wavelength multiple telecommunication)에서, 일련의 송신기들 311, 312 및 313 및 일련의 수신기들 321, 322 및 323이 상기 다중 파장들 각각에 대하여 사용된다. 전송 경로(transmission path)를 넓은 대역폭(broard bandwidth)으로 만들기 위해, 광학 구성 회로(optical composition circuit) 331 및 광학 스플리터 회로(optical splitter circuit) 332가 사용된다. 이때, 상기 광학 구성 회로 331 및 광학 스플리터 회로 332는 많은 광학 스위치들을 조합하여 제조될 수 있다.
본 발명의 DNA 칩에서, DNA 조각(fragment)을 상기 기판 상에 고정한다. 기판 상에 본 발명의 미세 구조가 배열된 구조물을 이용하여 본 발명의 상기 DNA 칩의 기판을 제조한다. 이때, 상기 미세 구조는 큰 비표면적(specific surface area)을 가지며, 검출 효율(detection efficiency)이 높고, 전체 칩의 크기를 작게 할 수 있다.
본 발명의 발광 장치에서, 제1 전극, 발광층(luminescent layer) 및 제2전극이 순차적으로 기판 상에 적층된다. 미세 구조가 주기적으로 배열된 영역을 포함하는 구조물 또는 본 발명의 미세 구조가 기판 상에 주기적으로 배열되어 있는 구조물을 이용하여 본 발명의 발광 장치를 제조한다.
이때, 상기 제1전극, 발광층 및 제2전극은 본 발명의 미세 구조가 배열되어 있지 않은 표면 또는 본 발명의 미세 구조가 배열되어 있는 표면 상에 적층될 수 있다. 상기 미세 구조들을 포함하는 평탄하지 않은 구조물에 의해, 발광 장치의 광 추출 효율이 향상되고, 발광 효율이 상승될 수 있다.
본 발명의 광전자 변환기(photoelectric transducer)에서 제1전극, 광전자 전환층 및 제2전극이 이 순서대로 차례로 기판 상에 차례로 적층된다. 본 발명의 광전자 변환기의 기판은 본 발명의 주기적으로 배열된 영역을 갖는 본 발명의 미세 구조를 갖는 구조물을 이용하여 제조되거나, 또는 상기 기판은 주기적으로 배열되는 영역을 갖는 본 발명의 미세 구조를 갖는 구조물을 이용하여 기판 상에서 제조될 수 있다. 상기 미세 구조를 포함하는 광전자 변환기 내의 평탄하지 않는 구조에 의해 높은 광전자 변환 효율을 갖는 광전자 변환기를 얻을 수 있다.
본 발명의 광학 렌즈는 본 발명의 미세 구조를 포함하는 구조물 또는 본 발명의 미세 구조가 기판 상에 배열되어 있는 구조물을 이용하여 제조된다. 이를 통해 믿을 만한 미세 광학 렌즈를 얻을 수 있다.
구현예 1
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 구현예 1의 정보기록매체 100A의 구성을 보여준다. 도 1a는 정보기록매체의 단면도이고, 도 1b는 정보기록매체의 상측면도(top view)이다.
상기 정보기록매체 100A에서, 50nm 두께의 ZnS-SiO2(몰 분율 : 8:2)로 이루 어진 유전체층 102, 10nm 두께의 AgInSbTe로 이루어진 광흡수층 103 및 미세 구조 104가 1nm의 두께와 10cm × 10cm 크기를 갖는 실리콘 기판 101 상에 형성된다.
미세 구조 104는 도 1b에 도시된 바와 같이 배열되며, 미세 구조 104의 존재 여부에 따라 정보가 결정된다. 특히, 상기 기록 매체 100A에 레이저 빔이 조사될 때, 상기 미세 구조 104에 의해 형광 빛이 방출되며, 미세 구조 104가 배열되어 있지 않은 영역 105에서는 형광이 방출되지 않아, 상기 정보기록매체 100A가 정보기록매체로 작용할 수 있다.
각각의 미세 구조 104는 반구 형상일 수 있으며, 그 바닥의 지름은 약 150nm이고, 높이는 약 30nm이다. 상기 미세 구조 104는 20nm 주기(마크 피치), 즉 50nm의 간격으로 배열된다.
각각의 미세 구조 104는 ZnS, SiO2 및 CdTe (몰 분율: 77:20:3)을 포함하며, 형광 양자점의 거동과 유사한 거동을 보인다. 도 1b 내의 화살표가 나타내는 방향으로 형광 탐지 광학 헤드를 스캐닝함으로써, 상기 기록매체로부터 정보를 읽을 수 있다. 상기 형광 탐지 광학 헤드에서, 방출된 형광빛은 렌즈에 의해 집광되고, 광섬유 및 광학 필터를 통과하며, 광 증폭 튜브를 이용해 증폭됨으로써, 형광성이 탐지된다. 상기 광학 헤드, 광학 필터 및 광 신호의 제조 방법을 통해, 형광성이 매우 약한 경우에도, 상기 형광 탐지가 가능하다.
도 2a 내지 도 2d는 정보기록매체 100A를 제조하는 방법을 보여준다.
먼저, 스퍼터링 장치 CFS-8EP-55(Shibaura Mechatronics Co. 제조)을 사용하여 유전체층 102, 광 흡수층 103 및 혼합 재료층 106을 순서대로 실리콘 기판 101 위에 적층한다.(도 2a 참조) 상기 혼합 재료층 106은 ZnS, SiO2 및 CdTe( 몰 분율: 77:20:3)을 포함하며, 두께는 160nm이다.
다음으로, 이와 같이 얻어진 실리콘 기판 101를 XY 스테이지에 진공 흡입하고, 반도체 레이저로부터 405nm 파장을 갖는 레이저 빔 107을 0.85의 NA를 갖는 대물렌즈 108를 통해 200nm 주기로 상기 실리콘 기판 101에 펄스 조사한다(도 2b 참조). 이때, 상기 레이저 빔 107에 의해 노광될 기판의 부분은 프로그램에 의해 미리 정해진다. 그리고, 식각은 2중량%의 플루오르화수소 산 109을 사용하여 10초동안 수행된다(도 2c 참조). 그런 다음, 주사 전자현미경을 이용하여 상기 레이저 빔 107에 의해 노광된 부분에 미세 구조 104가 형성된 것을 관찰한다(도 2d 참조). 일종의 소결 효과에 의해 혼합 재료층 106의 플루오르화수소 산에 대한 내식각성이 향상되고, 레이저 빔 107에 의한 노광 부분은 비-식각되어, 반구형의 패턴이 남는 것으로 나타났다.
따라서, 미세 구조 104는 열 리소그라피법에 의해 쉽게 제작될 수 있다. 혼합 재료층 내의 CdTe의 함량 %가 3중량%이므로, 미세구조 104 제조에 영향을 미치지 않고, 형광 탐지를 이용한 정보기록 매체 100A를 제조할 수 있다. 기록 영역과 비-기록 영역이 미세 구조 104의 존재에 의해 구별되므로, 상기 제조된 정보기록매체 100A는 ROM(Read Only Memory)로 사용될 수 있다. 상기 혼합 재료층 106은 ZnS 및 SiO2를 포함하기 때문에, 내식각성 변화를 이용할 수 있으며, 굴절율을 조절할 수 있다.
구현예 2
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 구현예 2의 정보기록매체 100B의 구성을 보여준다. 도 3a는 정보기록매체의 단면도이며, 도 3b는 상기 정보기록매체의 상측면도이다.
상기 정보기록매체 100B에서, ZnS-SiO2(몰 분율: 8:2)로 이루어진 50nm 두께의 유전체층 102, Ge(게르마늄)으로 이루어진 10nm 두께의 광흡수층 103, 20nm 두께의 ZnS 층 111 및 미세 구조 104가 폴리카보네이트 기판 110 상에 형성된다. 상기 폴리카보네이트 기판 110은 12cm의 지름과 20nm의 두께를 가지는 광학 디스크용 디스크-유사 판이며, 440nm(트랙 피치)의 주기로 랜드(land)와 그루브(groove)를 갖는다.
미세 구조 104는 도 3b에 도시된 바와 같이 배열되며, 정보는 미세 구조 104의 존재에 의해 결정된다. 특히, 상기 기록 매체 100B는 레이저빔에 의해 노광되면, 상기 미세 구조 104로부터 형광빛이 방출되고, 미세 구조 104가 배열되지 않은 영역에서는 형광 빛이 방출되지 않는다.
각각의 미세 구조 104는 반구형 형상이며, 그 바닥 지름은 약 150nm이고, 높이는 30-160nm의 범위 내에 있다. 상기 미세 구조 104는 400nm 주기(마크 피치)로 배열되어 있다.
각각의 미세 구조 104는 ZnS, SiO2 및 CdTe(몰 분율: 77:20:3)를 포함하며, 형광 양자점의 거동(behavior)과 유사한 거동을 보인다. 도 3b 내의 화살표가 나타내는 방향으로 형광 탐지 광학 헤드를 스캐닝함으로써 기록 매체로부터 정보를 읽 는다. 상기 형광 탐지 광학 헤드에서, 상기 방출된 형광빛은 렌즈에 의해 모아지고, 광 섬유 및 광학 필터를 통과하고, 광 증폭 튜브에 의해 증폭됨으로써 형광이 탐지된다. 상기 광학 헤드, 광학 필터 및 광 신호의 제조 방법을 통해, 형광이 약한 경우에도 형광 탐지가 가능하다.
다음으로, 상기 정보기록매체 100B이 제조 방법을 설명한다.
먼저, 스퍼터링 장치 CFS-8EP-55(시바우라 메카트로닉스사 제조)를 사용하여폴리카보네이트 기판 110 상에 유전체층 102, 광 흡수층 103, ZnS 층 111 및 혼합 재료층을 순서대로 적층한다. 상기 혼합 재료층은 ZnS, SiO2 및 CdTe(몰 분율: 77:20:3)을 포함하며, 두께는 약 160nm이다.
다음으로, 상기 제조된 폴리카보네이트 기판 110을 선속도 4.5m/초로 회전시키면서, 표면 기록 타입 디스크 테스터 LM330(시바소쿠사 제조)를 사용하여 포커싱 및 트랙킹을 수행한다. 405nm의 파장을 가진 레이저 빔에 의해 상기 폴리카보네이트 기판 110의 펄스 노광을 0.85의 NA(5.0mW 펄스 광 출력)을 갖는 대물 렌즈를 통해 400nm 주기로 수행한다. 상기 레이저빔에 의해 노광된 기판의 부분은 프로그램에 의해 미리 정해진다. 그리고, 2 중량%의 플루오르화수소 산을 사용하여 10초 동안 식각한다. 그런 다음, 주사전자현미경을 사용하여, 레이저빔에 의해 노광된 부분에 미세 구조 104가 형성된 것을 확인한다. 일종의 소결 효과로 인해 상기 혼합 재료층의 플루오르화수소 산에 대한 내식각성이 향상되고, 상기 레이저빔에 의해 노광된 부분은 비-식각되며, 반구형의 패턴이 형성되는 것으로 나타났다.
따라서, 상기 미세 구조 104는 열 리소그라피법을 이용하여 쉽게 제조될 수 있다. 상기 혼합재료층 내에 CdTe의 함량 %는 3중량%이므로, 미세 구조 104의 제조에 영향을 미치기 않고, 형광 탐지를 이용하는 정보기록매체 100B를 제조할 수 있다. 상기 기록 영역과 비-기록 영역이 미세 구조 104의 존재에 따라 구별되기 때문에, 상기 정보기록매체 100B는 ROM(Read Only Memory)로 사용될 수 있다. 상기 혼합 재료층은 ZnS 및 SiO2를 함유하므로, 내식각성의 변화를 이용할 수 있으며, 굴절율을 조절할 수 있다.
광학 디스크용 랜드 및 그루브가 형성된 기판을 사용할 때, 상기 레이저빔 노광은 포커싱 및 트랙킹을 수행하는 동안에 수행될 수 있으므로, 상기 미세 구조 104는 우수한 정밀성으로 빠르게 제조될 수 있다.
구현예 3
상기 미세 구조의 펄스 광 출력 의존도를 조사하였다. 상기 펄스 광출력을 1.5-7mW의 범위에서 변화시켰다. 상기 미세 구조를 제조하는 방법은 구현예 2의 방법과 동일하다. 미세 구조의 재료로, ZnS-SiO2(몰 분율: 8:2)를 사용하였다.
도 4a 내지 도 9b는 제조된 미세 구조의 주사전자현미경 사진을 보여준다. 상기 관찰은 영역-방사(field-emission) 주사전자현미경 FE-SEM S-4100(히타치사 제조)를 사용하여 수행되었다.
도 4a 내지 도 9b에는, 상면 방향에서 촬영한 SEM 사진과 경사 방향에서 촬영한 SEM 사진이 도시되어 있다. 이러한 SEM 사진들로부터 알 수 있듯이, 높이와 너비를 포함하는 미세 구조의 형상은 펄스 광 출력의 변화에 따라 다양하다.
구현예 3에서, 상기 미세 구조가 도시된 형상들 중 어떤 것으로 제조되더라도, 정보기록매체로 사용될 수 있다.
도 10은 펄스 광 출력과 상기 미세 구조의 최대 지름의 관계를 보여준다. 도 10에 도시된 바와 같이, 미세 구조의 최대 지름은 펄스 광출력에 대해 선형으로 나타나지 않는다. 울퉁불퉁하게 형성된 폴리카보네이트 기판 상에 형성된 미세 구조의 형상은 다음과 같이 펄스 광 출력의 값(도 11a-11d 참조)에 따라 주로 스테이지 I-IV의 형상으로 분류된다.
스테이지 I(3.5-5.2mW 펄스-광 출력): 미세 구조 104는 비구면 형상이지만, 반구형 형상이다. 상기 미세 구조 104의 최대 지름은 펄스 광 출력의 증가에 따라 크기가 증가한다(도 11a 참조).
스테이지 II(5.2-6.8mW 펄스-광 출력): 미세 구조 104는 실리더 구조 104a 및 상기 상부 실린더 구조 104a의 중앙에 형성된 반구형 구조 104b를 포함한다. 상기 실린더 구조 104a는 두 개의 상부 및 하부 실린더 구조를 포함한다. 하부 실린더 구조는 펄스 광 출력의 증가에 따라 증가한다(도 11b 참조).
스테이지 III (6.8-8.0mW 펄스 광 출력): 미세 구조 104는 실린더 구조 104a 및 상부 실린더 구조 104a의 중앙에 형성된 반구형 구조 104b를 포함한다. 실린더 구조 104a는 두 개의 상부 및 하부 실린더 구조를 포함한다. 상기 상부 실린더 구조는 하부 실린더 구조보다 크기가 더 크다(도 11c 참조).
스테이지 IV(8mW 이상의 펄스 광 출력): 미세 구조 104는 실린더 형상이다(도 11d 참조).
도 4a 내지 도 5b에 도시된 바와 같이, 스테이지 I에서, 미세 구조 104는 반구형 형상이다(도 11a 참조). 도 6a 내지 도 9b에 도시된 바와 같이, 스테이지 II 및 스테이지 III에서 미세 구조 104는 실린더 구조 104a 및 반구형 구조 104b를 포함한다. 스테이지 II에서, 미세 구조 104는 실린더 구조 104a 중 하부 구조에서 최대 지름을 갖는다(도 11b 참조). 한편, 스테이지 III에서, 미세 구조 104는 실린더 구조 104a의 상부 구조에서 최대 지름을 갖는다(도 11c 참조). 스테이지 IV에서, 미세 구조 104는 그 중앙에 형성된 개구를 가지며, 실린더 형상이다(도 11d 참조).
혼합 재료층의 내식각성이 레이저빔 노광에 의해 향상되는 이유는 명확하지 않다. 혼합 재료층은 광학적으로 거의 투명하며, 광 흡수층은 레이저 빔을 흡수하여 가열되며, 그 결과 혼합 재료층이 상기 소결 효과에 의해 빽빽하게 밀집되는 것으로 보인다.
레이저 빔을 흡수하는 광흡수층으로부터 나온 빛에 의한 열 분포는 가우시안 분포(Gaussian distribution)이다. 평판 기판이 사용되는 경우, 상기 미세 구조의 형상은 기본적으로 반구형이다. 그러나, 비평탄성(unevenness)을 갖는 갖는 광학 디스크용 기판이 사용되는 경우에는, 공간적인 열 분포가 3차원적 방법으로 다소 복잡하게 되며, 그 결과, 미세 구조의 형상이 스테이지 I-IV와 같이 나타난다.
열은 주로 자유 공간(free space)의 중앙에서 발생하며, 스테이지 I의 내식각성은 혼합 재료층의 고온으로 사용되는 부분에서 향상된다. 스테이지 II에서, 혼합 재료층의 두께가 제한되기 때문에, 열 방사가 동심원 같이 되지 않고, 광 흡수층 근처 부분은 쉽게 고온이 된다. 스테이지 III에서, 폴리카보네이트 기판 및 상 부 부분의 비-평탄성과 같은 일부 요소들은 공역 작용(air space influence)의 역할을 하며, 하부 부분보다, 혼합 재료층의 상부층이 열 소실성(heat dissipation)이 더 나쁘고, 쉽게 고온이 되는 것으로 추측된다. 스테이지 IV에서는 광 흡수층의 증발이 주요 요소로 여겨지며, 실린더 미세 구조의 중앙에 개구가 형성된다.
스테이지 I-IV의 미세구조 각각은 정보기록매체, 광자 결정, 광학 비반사 필름, 광학 스위치, 광학 필터, 플라스모닉 결정(plasmonic crystal) 등 중 어느 것에나 적합한 구조이다. 상기 미세 구조의 형상 및 굴절율은 광학 특성에 영향을 미치므로, 각 형상의 크기 및 굴절율을 조절할 필요가 있다.
구현예 3에서, 상기 미세 구조는 ZnS-SiO2를 사용하는 주사전자현미경의 관찰 해상도(observation resolution)의 관계로부터 제조된다. 고밀도 정보기록매체에서, 좁은 피치(narrow-pitch) 트랙 및 기록 마크의 감소가 중요하며, 구현예 3의 미세 구조는 지름을 수십 나노 미처의 크기로 만들 수 있다. 랜드들(lands) 및 그루브들(grooves)의 피치 간격, 광 흡수층의 재료, 두께 및 ZnS 및 SiO2의 조성비가 변하면, 미세 구조의 형상 및 펄스 광 출력 특성 또한 약간 변한다. ZnS-SiO2 이외의 재료가 사용되거나, 또는 다른 재료가 ZnS-SiO2과 혼합되거나, 또는 조성 비율이 변화될 경우, 상기 미세 구조는 평평하게 제조될 수 있다.
상기 미세 구조는 상기한 열 리소그라피법을 사용하여 손쉽게 제조될 수 있다. 혼합 재료층이 ZnS 및 SiO2를 포함할 때, 내식각성 변화를 이용할 수 있으며, 또한 굴절율이 조절될 수 있다. 광학 디스크용 랜드 및 그루브가 형성된 기판이 사용될 경우, 포커싱 및 트랙킹의 수행되는 동안, 레이저빔 노광이 수행되므로, 상기 미세 구조는 우수한 정밀성을 가지고, 빠르게 제조될 수 있다.
구현예 4
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 구현예 4의 광학 비반사 필름 100C의 구성을 보여준다. 구현예 1과 다른 점은 사용된 혼합 재료층이 ZnS-ZnO-SiO2(몰 비율: 6:2:2)로 형성되었다는 점이며, 다른 것들은 구현예 1과 동일하다.
도 12a는 상기 광학 비반사 필름의 단면도이며, 도 12b는 상기 광학 비반사 필름의 상측면도이다.
도 11의 스테이지 II-III의 형상을 갖는 미세 구조 104가 200nm의 주기로 배열되어 있기 때문에, 광학 비반사 필름 100C는 특정 파장 영역(350-600nm)의 빛의 프레스넬 반사가 제어되고, 모스-아이(moth-eye) 구조에 의한 비반사 특성을 보인다.
미세 구조 104는 상기한 열 리소그라피법에 의해 손쉽게 제조된다. 상기 혼합 재료층이 ZnS 및 SiO2를 포함할 경우, 에칭 저항성의 변화를 이용할 수 있으며, 굴절율을 조절할 수 있다.
도 11의 스테이지 I-IV의 형상 중 어떤 것도 미세 구조의 형상과 무관하게 상기 광학 비반사 필름에 적용될 수 있다. 한편, 미세 구조의 형상의 차이에 따라, 미세 구조의 높이, 굴절율 및 주기를 적절하게 조절할 필요가 있다. 재료의 굴절율이 영향을 미치기는 하지만, 광학 비반사 필름은 모스-아이 구조의 반전 구조를 이용하여 형성될 수 있다. 또한, 광학 비반사 필름과 함께 다중층들이 형성될 수 있 다.
구현예 5
ZnS-ZnO-SiO2(몰 분율: 6:2:2)로 형성된 혼합 재료층을 사용한다는 점을 제외하고, 구현예 1과 동일한 방법으로, 도 13에 도시된 광 도파관을 제조하였다. 도 13a 및 도 13b는 각각 광 도파관의 단면도 및 상측면도이다. 광 도파관 100D가 빛을 반사시키는 영역에서는 도 11의 스테이지 II-III의 형상을 갖는 미세 구조 104가 300nm의 주기로 배치되며, 빛의 투과 부분에서는 미세 구조 104가 배치되지 않는다.
도 13b에 도시된 바와 같이, 이것은 평균 굴절율 및 광 밴드 갭에 의한 주기적 구조의 주기 갭에 따라 특정 파정 영역(400-600nm)의 빛을 반사하기 때문에, 빛이 이동한다.
광자 격자에 의한 광 도파관에서, 입사각도에 의존하기 위해, 반사될 빛의 파장은 입사각도를 조절할 필요가 있으며, 광 밴드 갭 파장 밴드와 관련된 파장의 빛을 입사시킬 필요가 있다.
미세 구조는 상기한 열 리소그라피법에 의해 쉽게 제조될 수 있다. 혼합 재료층이 ZnS 및 SiO2를 포함할 때, 내식각성의 변화가 이용될 수 있으며, 굴절율 역시 조절될 수 있다.
광 밴드 갭을 이용하는 광 도파관은 광학 필터, 광학 스위치, 레이저 등에 적용될 수 있다. 빛을 반사시키지 않고, 광 밴드 갭 근처의 파장 밴드에서 빛이 투 과되더라도, 광자 격자의 독특한 특성과 함께 콜리메이팅(collimating) 효과 및 렌즈 효과와 같은 해상도의 한계를 넘어서는 광학 특성이 이론적으로, 그리고 현상적으로 나타난다. 본 발명의 미세 구조를 이용하여, 이러한 효과를 또한 얻을 수 있다.
상기 광 도파관은 미세 구조의 형상에 기초로 하는 것은 아니나, 도 11a-11d의 스테이지 I-IV의 형상을 갖는 미세 구조가 배치될 수 있다. 미세 구조의 높이, 굴절율 및 주기를 적절하게 조절하기 위해서 미세 구조의 형상이 다를 필요가 있다.
상기 특성들은 미세 구조의 형상 내에서, 또한, 미세 구조의 주기 구조의 반전 구조에서 다를 수 있으나, 광 밴드 효과를 얻을 수 있다. 이러한 이유에서, 광자 격자로서, 미세 구조의 주기 구조 및 그 반전 구조가 사용될 수 있다.
구현예 6
ZnS-SrS-SiO2(몰 분율: 7:1:2)로 제조된 혼합 재료층을 사용하고, 10cm×10cm 크기의 석영 기판 112를 사용하였다는 점을 제외하고는 구현예 1과 동일한 방법으로 도 14a-14b에 나타난 광학 필터를 제조하였다. 도 14a 및 도 14b는 각각 상기 광학 필터의 단면도 및 상측면도이다.
광학 필터 100E 내의 미세 구조 104는 반구형이며, 바닥에서의 지름이 150nm이고, 높이는 30nm이며, 20nm의 주기(마크 피치)로 배열되어 있다. 이러한 이유에서, 레이저빔이 조사될 때, 광학 필터 100E는 입사각에 따라 서브파장 구조의 효과 로 특정 파장 영역(300-500nm)의 빛을 반사시킨다.
이때, 405nm의 파장을 갖는 빛을, 각도를 변화시키면서 미세 구조 104가 형성된 영역으로 입사시키면, 입사광은 특정 각도에서 반사될 것이다.
상기 미세 구조 104는 상기한 열 리소그라피법을 사용하여 쉽게 제조될 수 있다. 상기 혼합 재료층이 ZnS, SrS 및 SiO2를 포함할 때, 내식각성 변화를 이용할 수 있으며, 굴절율이 조절될 수 있다.
서브파장 구조뿐 아니라, 광자 결정의 효과도 미세 구조 104의 주기적 구조로부터 제조될 수 있다. 이는 특정 파장 영역의 빛을 반사시키는 광학 필터 또는 광학 스위치로 작용한다. 입사 각도와 반사광의 파장은 서브파장 구조 또는 서로의 광자 격자에 따라 결정된다. 광학 필터 및 광학 스위치가 동일 현상을 이용하고 특정 파장 밴드의 빛이 완전히 투과되는 것을 원하지 않는 경우, 이들은 광학 필터로 작용할 수 있다. 광의 투과의 온(ON) 및 오프(OFF)를 제어하는 광학 소자로 사용하면 광학 스위치가 된다.
구현예 1 내지 6에서, 특히 광 흡수층으로 사용되는 재료은, 이로써 제한되는 것은 아니나, Si 이외에 AgInSbTe 및 Ge, III-V 그룹 반도체, 4 Yuan 혼합 결정 화합물 등을 들 수 있다. 열 리소그라피법으로 부분적으로 레이저 빔을 조사하는 방법 이외에 열을 가하는 방법도 가능하다. 그러나, 직접성 및 안정성 측면에서 뛰어나고, 미세 구조의 제조 정밀성이 높으므로, 레이저빔을 조사하는 것이 바람직하다.
구현예 7
도 15에 도시된 마스터 기판을 제조하였다. 마스터 기판 200A는 BD-ROM(Blu-ray Disc-Read Only Memory)용 25GB의 용량을 갖는 물건이며, 기록 피트(recording pit)의 패턴 201a가 주기적으로 배열되고, 트랙 피치(track pitch)가 0.32 마이크로미터인 영역을 갖는다. 상기 마스터 기판 200A의 재질은 석영이며, 마스터 기판 200A을 기초로 한 사출 성형 전사 공정(injection molding transferring process)을 통해 스탬퍼 및 광학 정보저장매체(영화가 기록된 콘텐츠와 같은)를 제조할 수 있다.
상기 마스터 기판 200A의 제조 방법이 도 16a-16f에 도시되어 있다. 먼저, 스퍼터링 장치 CFS-8EP(시바우라 메카트로닉스사 제조)을 이용한 RF 스퍼터링을 통해 ZnS, SiO2 및 ZnTe(몰 분율: 70:20:10)로부터 평판 디스크-유사 석영 기판 201이 되는 40nm의 두께를 갖는 혼합 재료층 202를 형성한다(도 16a 참조).
다음으로, 0.85의 NA의 레이저 빔 조사 장치의 대물렌즈 203으로 파장이 405nm인 청색 레이저 빛 204을 혼합 재료층 202의 표면에 집광하고, 정해진 영역에 5mW 펄스 광 출력으로 조사한다(도 16b 참조). 이때, ROM 상에 정보를 형성하는 방법을 사용하여 패턴을 형성할 수 있다.
그런 다음, 2중량%의 플루오르화수소 산 205에 10초 동안 담그고(도 16c 참조), 건조시킨다. 그 결과 ZnS, SiO2 및 ZnTe(몰 분율 : 70:20:10)로 형성된 거의 반구형 미세 구조 206가 석영 기판 201 상에 형성된다(도 16d 참조).
그런 다음, 이것을 RIE(reactive ion etching, 반응성 이온 식각) 장치에 장 착하고, CF4 기체로 식각을 수행한다. 그 결과, 석영 기판 201은 미세 구조 206을 마스크로 사용하여, 식각된다(도 16e 참조).
미세 구조 206를 제거하면 상기 마스크의 형상을 반영하는 패턴 201a가 형성된다.(도 16f 참조).
AFM(atomic force microscope)로 측정해본 결과, 석영으로 형성된 패턴 201a의 높이는 약 40nm이였다. 점과 같은 패턴 201a가 형성되더라도, 청색 레이저 빛 204의 연속적인 조사를 수행하면, 선형 패턴(그루브)가 형성되고, R 기판(Recordable substrate) 또는 RW 기판(Rewritable substrate)용 스탬퍼 또한 제조될 수 있다.
한편, 상기 미세 구조를 형성할 수 있는지 여부는 불확실하며, 이는 ZnS, SiO2 및 ZnTe의 조성 비율에 따라 결정된다. 조성 비율과 패턴 형성 특성 사이의 관계에 대한 측정이 수행되었으며, 표 1에 나타난 바와 같은 결과를 얻었다.
조성비(몰%) 패턴 형성
ZnTe ZnS SiO2
시료 1 10 70 20 예
시료 2 5 65 30 아니오
시료 3 10 50 30 아니오
시료 4 10 85 5 아니오
시료 5 15 68 17 예
시료 6 32 60 8 아니오
시료 7 22 65 13 예
표 1에 나타난 바와 같이, 시료 1, 5 및 7의 경우에는 패턴을 형성할 수 있고, 시료 2, 3, 4 및 6의 경우에는 패턴이 형성되지 않았다. 조성비와 패턴 형성 특성의 관계를 체크하기 위해, 시료 1-7에 대한 평가를 실시하였다. 0.85의 NA를 갖는 대물렌즈에 의해 집광된 405nm의 파장의 청색 레이저 광을 1-8mW 펄스 광 출력으로 조사하기 전과 후의 각 시료의 플루오르화수소산에 대한 내식각성을 측정하였으며, 표 2에 기재된 바와 같은 결과를 얻었다.
조사 전 내식각성 조사 후 내식각성
시료 1 아니오 예
시료 2 아니오 아니오
시료 3 아니오 아니오
시료 4 예 예
시료 5 아니오 예
시료 6 예 예
시료 7 아니오 예
표 2에 나타난 바와 같이, 레이저빔 조사를 적용하기 전의 시료가 내식각성을 가지고 있지 않고, 레이저빔 조사를 적용한 후의 시료가 약간의 내식각성을 갖는 경우에 패턴이 형성될 수 있다. 시료 1, 3 및 4를 살펴보면, 레이저빔 조사 전에 내식각성을 갖지 않는 시료를 위해서는 SiO2가 필요하고, 필요한 SiO2의 함량%는 10몰% 이상인 것으로 조사되었다.
한편, 시료 3과 같이, SiO2의 함량%가 너무 크면, 레이저빔 조사 후에, 내식각성이 없다. ZnTe의 비율이 거의 없을 경우, 시료 2와 같이 레이저 빔이 투과되는 많은 성분들(ZnS 및 SiO2)이 있어, 레이저빔의 흡수가 부적절하게 된다. ZnTe는 광흡수능을 향상시키기 위해 필요하지만, 시료 7과 같이 비율이 너무 높은 경우에는 ZnS의 비율이 부적절해지고, 레이저 빔의 흡수와 함께 발생하는 열의 발생에 의한 조직화(systenatization)가 촉진되지 않는다. 패턴이 형성된 시료 1, 5 및 7의 조성비 또한 고려되며, ZnS의 비율에 있어서, 상기 비율은 60몰%를 초과하고, ZnTe는 30콜% 미만으로 예상된다.
또한, ZnTe 대신 Ag를 사용할 경우에 상기 측정이 유사하게 수행되었으며, 표 3 및 표 4에 나타난 결과를 얻었다.
조성비(몰%) 패턴 형성
Ag ZnS SiO2
시료 8 10 72 18 예
시료 9 40 50 10 아니오
시료 10 40 40 20 아니오
시료 11 15 80 5 아니오
시료 12 15 70 15 예
시료 13 32 60 8 아니오
시료 14 10 65 25 예
시료 15 10 81 9 아니오
시료 16 10 80 10 예
시료 17 9 81 10 예
시료 18 10 50 30 예
시료 19 10 49 31 아니오
시료 20 9 50 31 아니오
조사 전 내식각성 조사 후 내식각성
시료 8 아니오 예
시료 9 예 예
시료 10 아니오 아니오
시료 11 예 예
시료 12 아니오 예
시료 13 예 예
시료 14 아니오 예
시료 15 예 예
시료 16 아니오 예
시료 17 아니오 아니오
시료 18 아니오 예
시료 19 아니오 아니오
시료 20 아니오 아니오
표 3 및 표 4에 나타난 바와 같이, 시료 8-14에서, ZnTe 대신 Ag가 사용될지라도, ZnS, SiO2 및 Ag의 조성비와 패턴 형성 특성의 관계는 동일하다고 말할 수 있다. 한편, 시료 16에서는, 패턴 형성이 가능하나, 시료 8의 패턴이 더 선명하다. 시료 15 및 시료 17은 시료 16의 조성비 근방의 비율을 가짐에도 불구하고, 시료 15 및 시료 17에서는 패턴이 형성되지 않았다.
시료 15는 표4에 도시된 바와 같이, 레이저빔 조사 전에 내식각성이 있어 패턴 형성이 불가능하며, 이는 9몰%의 SiO2의 비율이 부적절함을 보여준다. 한편, 시료 17은 레이저빔 조사 전에 내식각성을 가지지 않지만, Ag의 퍼센트가 9몰%이며, 이는 레이저빔의 투사량이 적절하지 않고, 패턴이 형성할 수 없다고 생각된다. 이 경우에, 더 높은 출력의 레이저빔이 조사되면 패턴을 형성할 수 있으리라고 여겨진다.
재료 C로 첨가되는 재료가 변하면, 레이저 빔의 흡수에 동반되는 열량 값 역시 변할 수 있으며, 패턴 형성에 필요한 레이저 빔의 조사 조건(펄스 광 출력, 펄스 너비) 역시 변화된다. 재료 A'에 대하여도 동일하게 말할 수 있다. 패턴 형성이 가능한 SiO2의 비율은, 플루오르화수소산을 이용하여 식각을 수행할 때, 10몰% 이상이며, SiO를 함유하는 경우에도 동일하게 말할 수 있다. 시료 18-20에 나타난 바와 같이, 패턴이 형성될 수 있는 SiO2의 비율은 30몰% 미만이다. 시료 18에서, SiO2의 함량%는 30몰%이며, 패턴이 형성되지만, 선명하지 않다. 시료 19 및 20에서, SiO2의 함량%는 31 몰%이며, 미세 구조가 거의 남아있지 않다.
레이저빔의 펄스 광 출력이 증가하고, 재료 C의 비율이 감소하고, 재료 A'의 비율이 증가할지라도, 패턴 형성이 가능한 SiO2의 비율은 30몰% 미만이다. 선명한 패턴을 형성하기 위해서는, SiO2가 10-30몰%의 범위에서 적당하게 함유되는 것이 바람직하다.
스퍼터링법에 의해 혼합재료층을 형성할 때, 혼합 재료들로 형성된 하나의 스퍼터링 타겟을 사용하거나, 또는 각각의 재료로 스퍼터링 타겟을 제조하고, 공동-스퍼터링(co-sputtering)을 수행할 수 있다. 스퍼터링 방법에 따라 SiO2내에서 산소 결핍이 발생하여, SiOx(x=1-2)가 형성될 경우, 및 혼합 재료층의 표면 조도가 다를 경우가 있으나, 혼합 재료층의 필름의 질은 많이 변하지 않는다.
혼합 재료층에 레이저빔이 조사되면, 상기 재료들이 상기 혼합 재료층 내에서 혼합되리라고 여겨진다.
파장이 405nm인 청색 레이저에 대한 ZnS-SiO2(몰 분율: 80:20)의 소화계수 k는 약 1x10-3이다. 한편, 시료 5의 혼합 재료층의 소화 계수 k는 1x10-1이다.
따라서, 청색 레이저 흡수능은 혼합재료층에 ZnTe를 첨가함으로써 향상될 수 있다. 혼합 재료층의 열량값(calorific value)은 레이저 빔의 펄스 광 출력에 기초하기 때문에, 통상적인 적색 또는 청색 반도체 레이저 빔이 조사될 경우에는 상기 혼합 재료층은 소화 계수 k가 약 1x10-1 정도면 충분하다.
40nm 두께의 ZnS-SiO2(몰 분율 : 50:50 - 90:10)에 대한 가시광 영역의 투과율은 약 100%이지만, ZnTe 또는 Ag가 첨가되면, ZnTe 또는 Ag의 증가 비율에 따라 투과율이 떨어지고, 광 흡수능은 향상된다. 그러나, 미세 구조를 제조하는데는 혼합 재료층의 조성이 중요하며, 60몰% 이상의 ZnS 및 10-30몰%의 SiO2, 및 30몰% 미만의 ZnTe 또는 Ag를 함유하는 것이 바람직하다.
이러한 조건이 충족되지 않을 경우, 식각에 의해 매끄러운 말단을 갖는 반구형의 미세 구조는 거의 형성되지 않는다. 혼합 재료층 내의 SiO2의 함량%가 10 중량%이상일 경우, 플루오르화수소 산 내에서 식각되지만, 레이저 빔 조사를 받고, 플루오르화수소 산에 대한 내식각성이 향상되기 때문에, 대부분의 반구형의 미세 구조가 남아있게 된다. ZnTe가 사용될 때, ZnS와 동일한 성분이 재료 C로 포함될 경우, Ag가 사용된 경우와 비교하여, 미세 구조의 말단이 더 매끄럽게 된다.
구현예 7에서, 미세 구조 206이 거의 반구형이므로, 마스터 기판 200A가 제조될 수 있다. 청색 레이저 광 204의 펄스 광 출력이 7mW일 수 있다면, 도 16d에 나타난 미세 구조 206 대신, 도 17에 나타난 바와 같이, 반구형 구조가 일반적으로 실린더 구조 상에 형성된 형태의 미세 구조 207이 형성될 수 있다.
최종적으로 석영 기판 201로 식각되기 위해서, 상기 미세 구조의 형상은 기록 피트(recording pit)의 패턴 형상에 영향을 미친다. 이때, 미세 구조 207를 마스크로 사용하여 식각하면, 방향이 미세 구조 206을 사용하는 경우와 비교하여 거의 수직 방향으로 식각된다는 특징이 있다.
구현예 8
도 18에 도시된 광학 비반사 필름을 제조하였다. 도 18a 및 도 18b는 각각 상기 광학 비반사 필름의 단면도와 상측면도이다. 상기 광학 비반사 필름 200B는 석영으로 만들어지며, 각각 약 150nm의 지름 및 250nm의 높이를 가지며, 200nm의 주기로 배열된 실린더 패턴 201b를 포함한다.
동일한 두께의 석영 기판 201과 비교해보면, 광학 비반사 필름 200B는 400-600nm의 범위 내의 파장을 갖는 빛에 대한 투과율을 향상시키고, 100% 가까이 끌어올린다. 이것은 미세 구조가 모스-아이(moth-eye) 구조로 변하면서, 반사를 제어하고, 빛을 투과시키기 때문이다.
광학 비반사 필름 200B의 제조 방법은 200nm 주기로 청색 레이저 광 204를 조사한 점을 제외하고는, 구현예 7과 동일하다. 웨이퍼로 제조된 다음, 광학 비반사 필름 200B를 수 밀리미터 정도로 디싱(dicing) 분할하고, 불순물 제거를 위해 세척함으로써, 광학 비반사 필름을 수득한다.
도 16d에 도시된 바와 같이, 미세 구조 206은 광학 비반사 필름으로 석영 기판 201상에 형성된다. 미세 구조 206의 재료가 석영과 다르기 때문에, 광학 비반사 필름으로서의 효과가 약해지거나, 디싱(dicing) 공정 시에 박리(exfoliation)가 일어날 수 있으며, 수율이 낮아질 수 있다. 이로부터, 필요하다면, 석영 기판 201을 식각한 다음, 패턴을 전사하고, 재현할 수 있다. 이때, 석영 기판 201의 표면에 형성된 상기 패턴의 형상은 기본적으로 마스크로 작용하는 미세 구조 206과 비슷한 형태로 변한다.
그러나, 미세 구조의 CF4에 대한 식각 속도가 충분히 작기 때문에, 종횡비(aspect ratio)가 또한 높은-형태(high-shaped)의 패턴 201b을 형성할 수 있다. 재현(reproducing) 시에, 패턴은 열 나노 임프린트(heat nano imprint), 광학 나노 임프린트(optical nano imprint) 및 소프트 리소그라피(soft lithography)와 같은 재료로 전사될 수 있다.
구현예 9
도 19a-19b에 나타난 바와 같은 광학 비반사 필름을 제조하였다. 도 19a 및 도 19b는 각각 상기 광학 비반사 필름의 단면도 및 상측면도이다. 상기 광학 비반사 필름 200C에서, 상기 미세 구조 208은 석영 기판201 상에 400nm의 주기로 배열된다. 미세 구조 208의 재료들은 ZnS, SiO2 및 ZnTe-ZnO(몰 분율: 64:18:10:8)이다. 상기 미세 구조 208은 대부분 실린더 형상이며, 외경(outer diameter)은 약 300nm이고, 내경(inside diameter)은 약 90nm이며, 높이는 약 50nm이다.
동일한 두께의 석영 기판과 비교해 보면, 상기 광학 비반사 필름 200C는 400-600nm의 범위 내의 파장을 갖는 빛에 대한 투과율이 향상되었으며, 100% 가까이 끌어올렸다. 이는 미세 구조208의 주기 구조가 모스-아이 구조로 변하며, 반사율을 제어하여 빛이 투과되도록 만들었기 때문이다.
상기 광학 비반사 필름 200C의 제조 방법은 9mW의 펄스 광 출력을 갖는 청색 레이저 광 204를 400nm의 주기로 조사한 점을 제외하고는 구현예 7(도 16e-16f는 무시함)과 동일하다. ZnS, SiO2, ZnTe 및 ZnO(몰 분율: 64:18:10:8)는 고 투과율을 가지므로, 청색 레이저 광 204의 펄스 광 출력을 증가시킬 필요가 있다. 청색 레이저 광 204의 펄스 광 출력이 8mW로 변할 경우, 상기 미세 구조 209는 도 20에 나타난 바와 같이, 공동 부분(hollow part) 및 연장된 바닥(enlarged bottom)을 갖는 실린더 형상으로 형성될 수 있다.
구현예 10
도 21에 나타난 바와 같은 정보기록매체를 제조하였다. 미세 구조 211은 12cm의 지름을 갖는 디스크 같은 폴리카보네이트 기판 210 상에 160nm의 주기로 배열되며, 상기 정보기록매체 200D는 랜드(land)와 그루브(groove)의 반복 비평탄성(repetition unevenness)을 갖는다. 각각의 미세 구조 211은 바닥에서 약 90nm의 지름을 갖고, 약 30nm의 높이를 가지며, 거의 반구형의 형상이다. 정보기록매체 200D에서, 정보는 미세 구조 211의 존재에 따라 결정된다.
정보기록매체 200D에 레이저빔을 조사할 때, 상기 미세 구조 211은 형광빛을 방출하며, 미세 구조 211이 배열되지 않은 영역에서는 형광 빛이 방출되지 않는다. 이러한 이유에서, 형광 탐지 광학 헤드(fluorescence detection optical head)를 스캔할 경우, 형광물의 탐지에 의해 상기 기록 매체로부터 정보를 읽을 수 있다.
미세 구조 211의 재료들은 ZnS, SiO2 및 CdTe(몰 분율: 77:20:3)이며, 상기 미세 구조 211은 형광 양자점과 동일한 효과를 갖는다. 정보를 읽을 때, 상기 방출된 형광 빛은 광학 헤드의 렌즈를 사용함으로써, 모아지고, 상기 형광은 광섬유 및 광학 필터와 함께 광 증폭 튜브로 증폭됨으로써 탐지된다. 그에 의해, 형광 빛이 약해질 때도 탐지될 수 있다.
상기 기록저장매체 200D의 제조 방법은 펄스 광 출력 8mW를 갖는 청색 레이저광 204가 조사된 점을 제외하고는, 구현예 7의 방법(도 16e-16f)과 동일하다. 구현예 10에서 이는 디스크와 같은 폴리카보네이트 기판 210 상에 제조할 수도 있으나, XY 스테이지를 사용하여 직각 기판(rectangular substrate) 상에 제조할 수도 있다. 이러한 경우에, XY 스테이지에 대한 진공 흡착이 수행되며, 레이저빔의 펄스 조사가 수행된다.
구현예 11
도 22a 및 도 22b에 도시된 바와 같은 광 도파관을 제조하였다. 도 22a 및 도 22b는 각각 광 도파관의 단면도 및 상측면도이다. 광 도파관 200E는 미세 구조 213이 실리콘 기판 212 상에 400nm의 주기로 배열되어 있는 주기 영역을 가지며, 780nm의 파장을 갖는 빛이 상기 주기 영역의 평균 굴절율에 의해 생긴 광 밴드 갭 및 미세 구조 213의 갭에 의해 반사된다. 빛이 이송되는 부분에는 미세 구조 213이 형성되지 않는다.
실린더 구조 상에 형성된 반구형 구조에서, 그 바닥 지름은 약 200nm이며, 높이는 약 50nm이다. 상기 미세 구조 213의 재료는 ZnS, SiO2 및 ZnO(몰 분율: 65:20:15)이다.
광 도파관 200E의 제조 방법은, 펄스 광 출력 7mW를 갖는 청색 레이저 광을 조사한 점을 제외하고는 구현예 7의 방법(도 16e-16f는 무시함)과 동일하다.
광 밴드 갭을 사용하는 광자 결정은 광학 필터 및 광 스위치와 같은 광 도파관 이외의 광학 소자에 적용된다. 광 밴드 갭 근처의 파장 밴드 내에서 빛을 반사하지 않고, 투과하더라도, 광자 결정이 갖는 고유의 특성과 함께, 콜리메이팅 효과 및 렌즈 효과와 같은 해상도의 제한을 넘어서는 광학 특성이 이론적으로, 그리고 현상학적으로 나타난다. 이러한 효과들은 또한, 석영 기판의 광학 소자에 의해 얻어진다.
구현예 12
도 23에 도시된 광학 필터를 제조하였다. 상기 광학 필터 200F는 서브파장 구조를 사용하며, 상기 미세 구조 214는 석영기판 201 상에 300nm의 주기로 배열되어 있다.
실린더 구조 상에 형성된 반구형 구조에서, 그 바닥 지름은 약 200nm이며, 높이는 약 50nm이다. 상기 미세 구조 214의 재료는 ZnS, SiO2 및 Au(몰 분율 : 72:18:10)이다.
광학 필터 200F의 제조 방법은 펄스 광 출력 8mW를 갖는 청색 레이저 광 204이 조사된 점을 제외하고는, 구현예 7의 방법(도 16e-16f는 무시함)과 동일하다.
선택적으로, 도 24에 도시된 바와 같이, 도 16e-16f의 방법을 통해, 석영으로 된 광학 필터 200G를 제조하였다. 상기 광학 필터 200G는 광학 필터 200F와 동일한 주기로 배열된 패턴 201c를 갖는다.
레이저 빔으로 조사할 때, 상기 광학 필터 200F 및 200G는 광 밴드 갭에 의해 특정된 파장을 갖는 빛을 반사하며, 상기 필터는 광학 스위치의 역할을 한다. 예를 들면, 405nm의 파장을 갖는 빛이 입사각이 변하면서, 광학 필터 200F 및 200G에 입사되면, 상기 빛은 특정 입사각에서 반사된다.
상기 부분(section)에 미세 구조 214 대신에 청색 레이저 광 204의 연속적인 조사를 수행함으로써, 거의 수직인 선형 미세 구조를 주기적으로 형성해도, 광학 스위치로서의 효과를 얻을 수 있다. 선형 미세 구조가 형성될 때, 광학 스위치로서의 효과는 네트(net)의 수직 메쉬(perpendicular meshes) 모양의 구조로서 또한 상호적으로 얻어질 수 있다. LER 또한, 포토리소그라피에서의 레지스트 값보다 작으며, 1nm 이하로 결정될 수 있다.
광학 필터는 서브파장 구조 및 광 밴드 갭에 의한 광학 필터 기능은 특정 파장 빛을 반사시키는 광학 필터 또는 광학 스위치로서의 효과가 있다. 입사각 및 반사광의 파장은 서브파장 구조물 또는 서로의 광자 결정에 의존한다. 동일한 현상이 이용되며, 광학 필터 및 광학 스위치는 특정 파장의 빛을 완전히 투과시키는 광학 필터로서 작용한다. 광 투과의 온(ON) 및 오프(OFF)를 제어하는 광학 소자로 사용되는 광학 스위치가 된다.
구현예 13
도 25a 내지 도 25d는 도 13의 미세 구조의 주사전자현미경 사진이다. 상기 미세 구조는 400nm의 랜드 그루브를 갖는 트랙 피치(선 너비 200nm, 배선 그루브 너비 200nm)를 갖는 폴리카보네이트 기판 상에 형성되며, 재료는 ZnS, SiO2 및 Ag(몰 분율 72:18:10)이다.
미세 구조의 제조 방법은, ZnS, SiO2 및 Ag(몰 분율: 72:18:10)으로 형성된 스퍼터링 타겟을 사용하며 청색 레이저 광 204의 펄스 광 출력이 변화되는 점을 제외하고는, 구현예 7의 방법과 동일하다.
도 25a, 도 25b, 도 25c 및 도 25d의 펄스 광 출력은 각각 6.5mW, 7.0mW, 8.0mW 및 9.0mW이다. 도 25a 또는 도 25b의 미세 구조는 반구형 형상이며, 도 25c의 미세 구조는 반구형 구조가 실린더 구조 상에 형성된 형상이며, 도 25d의 미세 구조는 실린더 형상이다. 미세 구조의 형상은 주사전자현미경 이외에 투과전자현미경(transmission electron microscope) 또는 원자 현미경(atomic force microscope)을 사용하여 측정될 수 있다.
도 26은 펄스 광 출력과 미세 구조의 외경(outer diameter) 또는 내경(insid diameter) 사이의 관계를 보여준다. 도 26에 도시된 바와 같이, 미세 구조의 외경이 증가함에 따라 펄스 광 출력이 증가하고, 9mW에서 상기 미세 구조의 중심에 있는 공동 부분(hollow portion)(개구, opening)이 발생한다. 상기 미세 구조의 크기는 레이저 빔 조사 시에 펄스 너비(조사 시간)와 함께 변화될 수 있다. 이러한 경우에 펄스 너비는 10 내지 15 나노 초(nanosecond)의 범위 내이다. 펄스 광 출력 대비 미세 구조의 크기는 조성비, 재료 등에 따라 변화되지만, Ag 이외의 재료들이 사용될 때에도 동일한 펄스 광 출력 의존성을 보일 수 있다.
도 27a 및 도 27b는 구현예 13의 미세 구조의 다른 예에 대한 주사전자현미경 사진을 보여준다. 이러한 미세 구조는 랜드(land)와 그루브(groove)의 트랙 피치(track pitch)가 400nm(선폭 : 200nm, 그루브 너비:200nm)인 폴리카보네이트 기판 상에 형성되며, 사용되는 재료는 ZnS, SiO2 및 ZnTe(몰 분율: 68:17:15)이다.
상기 미세 구조의 제조 방법은, 청색 레이저 광 204의 펄스 광출력이 변하고, ZnTe 및 ZnS-SiO2(몰 분율: 80:20)의 두 개의 스퍼터링 타겟이 사용된다는 점을 제외하고는 구현예 7의 방법과 동일하다. 상기 스퍼터링법에 의해 형성된 필름의 조성을 원소 분석법을 통해 검사하였다. 도 27a의 펄스 광 출력은 6.0mW이며, 도 27b의 펄스 광 출력은 7.0mW이다.
도 28은 구현예13의 미세 구조의 또 다른 예의 주사전자현미경 사진을 보여준다. 이 미세 구조는 랜드(land)와 그루브(groove)의 트랙 피치(track pitch)가 400nm(선폭 : 200nm, 그루브 너비:200nm)인 폴리카보네이트 기판 상에 형성되며, 사용되는 재료는 ZnS, SiO2 및 Au(몰 분율: 72:18:10)이다
상기 미세 구조의 제조 방법은 청색 레이저 광 204의 펄스 광 출력이 3.0mW이며, Au와 ZnS-SiO2(몰 분율 : 80:20)의 두개의 스퍼터링 타겟을 사용한 점을 제외하고는, 구현예 7의 방법과 동일하다.
도 25a-25d, 도 27a-27b 및 도 28의 미세 구조를 비교했을 때, 도 27a-27b의 미세 구조의 말단이 가장 매끄러운 것으로 나타났다. 도 25a-25d, 도 27a-도 27b 및 도 28의 미세 구조와 동일한 재료를 사용하여 선형 미세 구조를 제조하고, 레이저 빔을 연속적으로 조사하고, 각각의 LER을 비교하였을 때, 도 27의 미세 구조와 동일한 재료로 제조된 경우가 가장 작았다. 이는 재료 A' 및 재료 C 내에 공통 원소로서 Zn이 함유되어 있기 때문이다.
상기 미세 구조들은 Al, Cu, Pt, Sb, Te, Ge, Si, Bi, Mn, W, Co, Nb 및 이들의 합금들, 예를 들면, InSb, AgInSbTe, GeSbTe 등 중 어느 것을 재료 C로 사용하는 경우들에 제조될 수 있다. 유사하게, 상기 미세 구조들은 ZnMgTe, CsZnTe, ZnMgSSe, SbZn, ZnCrO4, ZnZrO3, ZnWO4, ZnTiO3, Zn3N2, ZnF2, ZnSnO3, ZnMoO4, GeS2, CoS, SnS 등 중 어느 것을 사용할 경우에 제조할 수 있다. ZnO와 같이, 청색 레이저빔에 대한 투과율이 상대적으로 큰 재료가 재료 Cr으로 사용되는 경우에, 사용되는 재료들이 ZnS, SiO2, ZnTe 및 ZnO(64:18:10:8)이면, 매끄러운 말단을 갖는 미세 구조가 제조될 수 있다. 또한, ZnSe, MnS 및 SrS 중 어느 것이 재료 C로 사용될 때, 매끄러운 말단을 갖는 미세 구조가 제조될 수 있다.
구현예 14
도 18a 및 도 18b에 도시된 바와 같은 광학 비반사 필름 200B를 제조하였다. 광학 비반사 필름 200B는 석영으로 제조되며, 약 150nm의 지름 및 약 250nm의 높이를 갖는 실린더 패턴 210b가 200nm의 주기로 배열되어 있다. 동일한 두께의 석영 기판과 비교할 때, 상기 광학 비반사 필름 200B은 파장이 400-600nm의 범위 내에 있는 빛에 대한 투과율이 증가하고, 증가된 투과율은 100%에 가깝다. 이는 상기 주기적 구조가 모스-아이 구조로 변하면서, 반사를 억제하고, 빛의 투과를 허용하기 때문이다.
광학 비반사 필름 200B의 제조 방법은 청색 레이저광 204의 조사가 200nm의 주기로 수행되고, FeS-SiO2(몰 분율: 80:20)의 혼합 재료층 202이 형성되고, FeS 및 SiO2의 두 개의 스퍼터링 타겟을 사용한다는 점을 제외하고는, 구현예 7의 방법과 동일하다. 웨이퍼를 사용하여 광학 비반사 필름 200B을 제조한 후에, 이를 웨이퍼의 디싱(dicing)에 의해 수 밀리미터의 조각들로 분리하고, 세척하여 불순물을 제거함으로써 광학 비반사 필름 200B를 얻는다.
ZnS, CaS 및 SrS는 가시 광 영역에 있어서, 거의 투명하며, 작은 광 흡수능을 갖는다. 반대로, FeS는 이러한 황 화합물들 중에서 상대적으로 높은 광 흡수능을 가진다. FeS-SiO2(몰 분율: 80:20)는 가시광 영역에서 방출 파장을 갖는 레이저빔을 흡수한다. 이러한 이유에서, FeS는 광 흡수능을 향상시키는 재료로서 작용한다.
도 16d에 도시된 바와 같이, 미세 구조 206이 석영 기판 201 상에 형성된 광학 비반사 필름이 사용될 수 있다. 상기 미세 구조 206의 재료가 석영과 다르기 때문에, 상기 광학 비반사 필름 효과가 약하거나, 디싱 공정 시에 박리가 일어나고, 수율이 떨어지는 경우가 있을 수 있다. 이를 피하기 위해서는, 필요에 따라, 석영 기판 201의 표면 상에 식각을 수행한 후에, 패턴 전사를 수행할 수 있다. 이때, 석영 기판 201의 표면에 형성된 패턴의 형상은 기본적으로 마스크로 사용되는 미세 구조 206의 형상과 유사하다. 그러나, 상기 미세 구조 206의 CF4에 대한 식각 속도가 충분히 작기 때문에, 높은 종횡비(aspect ratio)를 갖는 형상의 패턴이 형성될 수 있다.
재현 시에, 상기 패턴은 열 나노 임프린팅, 광학 나노임프린팅 또는 소프트 리소그라피와 같은 나노임프린팅 기술을 사용함으로써, 주 성분으로 수지를 함유하는 재료로 전사될 수 있다.
구현예 15
도 29a 내지 도 29d는 구현예 15의 미세 구조의 주사전자현미경 사진을 보여준다. 이러한 미세 구조는 랜드(land)와 그루브(groove)의 트랙 피치(track pitch)가 400nm(선폭:200nm, 그루브 너비: 200nm)인 폴리카보네이트 기판 상에 형성될 수 있으며, 사용되는 재료는 FeS-SiO2(몰 분율: 80:20)이다. 미세구조의 제조 방법은 FeS-SiO2(몰 분율: 80:20)의 혼합 재료층 202이 형성되고, FeS와 SiO2의 두개의 스퍼터링 타겟을 사용하고, 청색 레이저 광 204의 펄스 광 출력이 변화된다는 점을 제외하고는, 구현예 7의 방법과 동일하다. 도 29a, 도 29b, 도 29c 및 도 29d의 펄스 광 출력은 각각 1.5mW, 2.0mW, 3.0mW 및 4.5mW이다.
도 29a의 미세 구조는 반구형 형상이며, 도 29b 또는 도 29c 내의 미세 구조는 반구형 구조가 실린더 구조 위에 형성된 형상이며, 도 29d내의 미세 구조는 실린더 형상이다. 미세 구조의 크기는 레이저 빔의 펄스 너비 또는 펄스 광 출력에 따라 다양하다.
도 30a 및 도 30b는 구현예 15의 미세 구조의 또 다른 예에 대한 주사전자현미경 사진을 보여준다. 이러한 미세 구조는 랜드 및 그루브의 트랙 피치가 400nm(선폭:200nm, 그루브 너비:200nm)인 폴리카보네이트 기판 상에 형성되며, 사용되는 재료는 FeS-SiO2(몰 분율: 76:24)이다.
미세 구조의 제조 방법은 FeS-SiO2(몰 분율: 76:24)의 혼합 재료층 202를 형성하고, FeS 및 SiO2의 두개의 스퍼터링 타겟을 사용하며, 청색 레이저 광 204의 펄스 광 출력이 변화된다는 점을 제외하고는 구현예 7의 방법과 동일하다. 도 30a 및 도 30b의 펄스 광 출력은 각각 1.1mW 및 1.4mW이다.
미세 구조 206은 청색 레이저 광 204을 조사하고, 플루오르화 수소산 205 내에 침지하고, 식각함으로써 형성된다. 청색 레이저 광 204가 조사된 영역에서, FeS 및 SiO2가 조직화될 수 있으며, 플루오르화수소산 205에 대한 내식각성이 향상될 수 있다.
구현예 16
도 19에 도시된 바와 같이 구성된 미세 구조 208을 석영 기판 201 상에 형성하였다. 미세 구조 208의 재료는 ZnS, SiO2 및 Au(몰 분율: 72:18:10)이다. 이때, 석영기판 201 대신 얇은 유리가 사용될 수도 있다.
미세 구조 208의 제조 방법은 펄스 광 출력이 8mW인 점을 제외하고는, 구현예 9의 방법과 동일하다. 다음으로, 다음에 따라 DNA 칩을 제조한다. 잉크 젯 시스템을 사용함으로써, 10,000 종류 이상의 DNA 조각을 배열하고, 미세 구조 208이 형성된 석영 기판 201 상에 미세 점(minuit spot)으로 고정시킨다. 상기 잉크 젯 법은 방출 홀(ejection hole)로부터의 배출량을 제어하는데 유리하다.
DNA 칩을 형광 색소 Cy3(그린) 및 Cy5(레드)로 세포의 발견 유전자의 레벨링이 수행된 시료 DNA와 (접합, hybridization) 반응시킨다. 상호 보조 DNA들(mutually complementary DNAs)의 반응의 결과로, DNA들과 관련된 미세 점들이 착색된다. 이러한 미세 점들의 색깔들을 고-해상도 DNA 칩 분석 장치를 사용하여 읽어내고, DNA 칩 상의 DNA로부터 시료 DNA의 작용 데이타를 얻어낸다.
다음과 같이, DNA 칩들의 대량 생산(volume production)이 가능하다. 구현예7에서 평평하고, 디스크와 같은 석영 기판 201이 회전되고, 넓은 영역을 갖는 웨이퍼 상에 DNA 칩들이 형성되며, 상기 웨이퍼를 디싱(dicin)에 의해 DNA 칩으로 잘라낸다. 예를 들면, 약 4mm2의 크기를 갖는 DNA 칩을 저렴한 비용으로 제조할 수 있다. XY 스테이지를 사용하여 DNA 칩을 제조할 수 있다.
DNA 탐지 효율을 향상시키기 위해서는, DNA 조각들을 배열하고, 미세 점으로 고정시키는 방식이 중요하다. 구현예 16에서 미세 구조는 넓은 비표면적으로 배열된다. 이때, 구현예 16의 DNA 칩은 포토리소그라피법 등을 사용하여 제조되는 DNA 칩과 비교하여 저렴한 비용으로 제조될 수 있다. 도 19a-19b에 도시된 바와 같은 실린더 형상의 미세 구조가 독특하게 열 리소그라피법으로 제공되며, 그 비표면적은 상대적으로 크다.
DNA 칩들은 구현예 16 이외의 재료 및 제조 방법을 사용하여 제조될 수도 있다. 이때, SiO2 내에서 산소 부족이 발생할 수 있다. 금속 또는 합금과 같이, 광 흡수능을 향상시키는 재료가 재료 C로 사용될 수 있다. CdTe 또는 CdSe와 같은 형광 재료가 재료 C로 선택될 경우, 형광 탐지가 사용될 수 있다. Au와 같은 금속이 재료 C로 사용될 경우 플라스몬 효과가 예상된다.
구현예 17
도 32는 구현예 17의 편광 분리 소자 300의 구성을 보여준다. 편광 분리 소자 300은 폴리카보네이트 기판 301 상에 형성된 ZnS 층 302 및 상기 ZnS 층 302 상에 주기적으로 배열된 선형 미세 구조 303를 포함한다. 상기 편광 분리 소자 300은 편광 분리 소자의 특성(주기, 굴절율)에 따라, 특정 파장을 갖는 빛 310을 P편광 311 및 S 편광 312로 분리하는 작용을 한다. P 편광파(The light of P polarized wave)는 전기장 벡터의 진동면이 입사면에 평행한 편광 요소이며, S 편광파는 전기장 벡터의 진동면이 입사면에 수직인 편광 요소이다.
도 33a 내지 도 33d는 구현예 17의 편광 분리 소자 300을 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다. 먼저, 높이 20nm 및 피치 200nm를 갖는 비평탄면(랜드와 그루브)이 동심원 형상으로 형성된 0.6mm 두께의 폴리카보네이트 기판 301을 마스터 기판과 스탬퍼 및 사출 성형을 이용하는 공지의 광학 디스크 제조 공정을 통해 제조하였다. 다음으로, 10nm 두께의 ZnS 층 302 및 200nm 두께의 ZnS, SiO2 및 Zn으로 된 혼합 재료층 304(몰 분율: 64:13:33)을 스퍼터링 장치 CFS-8EP-55(시바우라 메카닉스 사)을 사용하여 RF 스퍼터링을 통해 이 순서대로 상기 폴리카보네이트 기판 301에 적층한다(도 33a 참조).
0.85의 NA를 갖는 대물 렌즈 305에 의해 집광된 레이저빔 조사 장치(시바소쿠 사)로부터 나온 405nm의 파장을 갖는 청색 레이저광 306을 트랙킹(tacking)이 수행된 혼합 재료층 304의 표면에 집광하였다. 상기 레이저 광은 3.5mW 광 출력으로 회전하는 폴리카보네이트 기판 301에 연속적으로 적용되었다(도 33b 참조).
그런 다음, 상기 폴리카보네이트 기판 301을 10초동안 2중량%의 플루오르화수소 산 307에 침지한 후, 식각을 수행하였다(도 33c 참조). 순수로 린스하고, 건조시켜, 미세 구조 303이 주기적으로 배열된 편광 분리 소자 300을 얻었다(도 33d 참조).
레이저빔 306에 의해 적절하게 조사된 혼합 재료층 304는 비-식각된 채로 남아 있으며, 미세 구조 303으로 변한다. 구현예 17에서, 랜드로 형성된 혼합 재료층304의 부분(볼록)은 남고, 그루브로 형성된 혼합 재료층 304의 부분(오목)은 제거된다. 이러한 이유에서, 인접한 미세 구조 303은 내부 연결(interconnect)된다.
도 34a 및 도 34b는 구현예 17의 편광 분리 소자 300의 주사전자현미경 사진을 보여준다. 도 34a는 상기 편광 분리 소자의 상측면도이고, 도 34b는 집중 이온 빔(focused ion beam, FIB)을 사용하여 편광 분리 소자 300의 단면을 형성하였을 때 편광분리 소자의 투시도이다. 단면을 형성하기 위해, 도 34b에서 미세 구조 303의 상부 부분 상에 탄소 보호층 308을 적층한다.
도 34a-34b에 나타난 바와 같이, 상기 선형 미세 구조 303은 편광 분리 소자 300 내에 주기적으로 배열된다. 이러한 방식으로 선형 패턴이 형성된 편광 분리 소자는 선 격자 편광자로 불린다.
폴리카보네이트 기판 301, 상기 ZnS층 302 및 혼합 재료층 304가 형성된 편광 분리 소자 300 내로 S 편광을 투과시킴으로써, 도 35에 도시된 바와 같이 S 편광에 대한 투과율의 파장 의존성을 측정하였다. 유사하세, 90도로 회전된 편광 분리 소자 300으로 S 편광을 투과시키고, 측정 장치로 고속 분광 타원계(spectroscopic ellipsometer) M-2000DI(J.A Wollam Japan)를 사용함으로써, 측정 스팟 지름은 약 3mm이며, 선형 편광판을 사용하여 투과 측정 모드로 측정을 수행하였다.
이때, 상기 편광 분리 소자 300은 측정 스팟 지름보다 크기가 더 크다.
도 35에 도시된 바와 같이, 90도로 회전되지 않은 편광 분리 소자 300의 경우에 중심 파장 길이(center wavelength)는 약 747nm이며, 디프(dip)가 보인다. 90도로 회전된 편광 분리 소자 300의 경우에는 디프(dip)가 보이지 않는다. 따라서 상기 편광 분리 소자 300은 약 747nm의 중심 파장 길이 주변인 650-840nm의 파장 영역에서 편광 분리 기능을 갖는다.
다음으로, 편광 분리 소자 300은 레이저 빔 304의 연속 광학 출력을 3.0mW 및 2.5mW로 변화시킨 것을 제외하고는 상기 실시예와 동일한 방법으로 제조된다.
도 36a 및 도 36b는 연속 광학 출력이 2.5mW일 때, 상기 편광 분리 소자 300의 주사전자현미경 사진을 보여준다. 도 36a는 편광 분리 소자의 상측면도이고, 도 36b는 집중 이온 빔(focused ion beam, FIB)을 사용하여 편광 분리 소자 300의 단면을 형성하였을 때의 편광 분리 소자의 투시도이다. 단면을 형성하기 위해서 도 36b 내의 미세 구조 303의 상부 부분 상에 카본 308을 적층한다.
도 37은 편광 분리 소자 300의 S 편광에 대한 투과율의 파장 의존성을 보여준다. 도 37에 도시된 바와 같이, 90도로 회전되고, 연속 광 출력이 2.5mW인 편광 분리 소자 300의 경우에는, 상기 예와 유사하게 디프(dip)가 보이지 않는다. 90도로 회전되지 않은 편광 분리 소자 300의 경우에는, 연속 광 출력이 3.5mW, 3.0mW 및 2.5mW로 정해진 어떠한 경우에도 디프(dip)가 발견되며, 상기 연속 광학 출력이 큰 값으로 정해진 경우지고, 낮은 파장 길이 쪽으로 이동할 경우에 상기 디프의 기깊이가 크다.
ZnS, SiO2 및 Zn(몰 분율: 64: 13: 33)의 2 중량%의 플루오르화수소산에 대한 식각 속도를 측정하였다. 어닐링이 없는 경우에, 상기 식각 속도는 약 5.26nm/초 였다. 전기로를 사용하여 (대기압) 30분 동안 500℃로 어닐링을 수행한 경우에는, 상기 식각 속도는 약 0.17nm/초였다. 이러한 결과는 어닐링의 수행에 의한 식각 속도 비율(어닐링한 경우 대비 어닐링하지 않은 경우의 비율)이 약 33이고, 어닐링에 의해 내식각성이 빠르게 향상됨을 보여준다.
레이저 빔 조사 및 어닐링과 관련하여, 최종 온도 및 최고 온도 획득 시간은 다르지만, 열이 공급된다는 점에서는 일치한다. 이러한 이유에서, 구현예 17에서, 레이저 빔 306에 의한 열의 공급은 레이저빔 306 조사 후에 플루오르화 수소산 307 에 침지시킨 후, 식각함으로써 혼합 재료층 304의 패턴 형성을 수행하는 요소 중 하나로 언급된다.
또한, ZnS-SiO2(몰 분율 : 80:20)를 사용하여 동일한 실험을 수행하였을 때, 거의 동일한 식각 선택도를 얻었으며, 내식각성 변화를 크게 발생시키는 ZnS의 결정화가 예상되었다.
ZnS, SiO2 및 Zn으로 형성된 얇은 필름을 대기압에서 30분 동안 500℃로 어닐링하였을 때, 가시광 영역 내의 투과율이 증가하고, ZnO의 X-선 회절 피크가 X-선 회절에 나타난다. 즉, Zn의 산화가 체크된다. 이러한 이유에서, 레이저빔 306이 조사된 혼합 재료층 304 내에서, Zn이 산화된 것으로 여겨진다.
즉, 혼합 재료층 304에 306이 조사되면, 광 흡수능을 가지는 Zn이 레이저빔 306을 흡수하여 산화되고, 미세 구조 306의 가시 광 영역 내의 투과율이 향상된다. 이때, ZnS 및 SiO2에 레이저빔 306을 조사하면, 가시광 영역에서 투명하기 때문에, 투명 재료의 패턴 형성이 수행된다.
광 투과율이 93%인 유리 기판 상에 형성된 100-nm-두께의 ZnS 층 내의 시료의 광 투과성은 300nm, 405nm 및 550nm의 파장에서 각각 약 20%, 약 60% 및 약 90%이다.
한편, SiO2의 광 투과율은 200-1700nm 파장 영역에서 90%를 넘는다. 이때, ZnS-SiO2(몰 분율: 80:20)의 패턴 형성 역시 ZnS-SiO2(몰 분율: 80:20)이 흡수하는 빛, 예를 들면, 파장이 266nm인 DUV(deep ultraviolet) 레이저 빔 및 파장이 13.5nm인 EUV (extreme ultraviolet) 레이저 빔을 조사함으로써 수행될 수 있다.
그러나, 조사하는 레이저 빔의 파장이 짧게 하려면, 장비가 비싸지고, 조사 시간 또한 요구된다. 구현예 17에서는 혼합재료층의 광 흡수능이 향상되고, 진공이 요구되지 않기 때문에, 가시 광선, 예를 들면 파장이 405nm, 650nm 및 780nm인 반도체 레이저 빔을 조사함으로써 미세 구조를 제조할 수 있다. 이러한 편광 분리 소자 300는 회절 격자로 사용될 수도 있다.
구현예 18
도 38에 도시된 바와 같은 광학 필터를 제조하였다. 광학 필터 400에 있어서, ZnS층 402가 폴리카보네이트 기판 401 상에 형성되었으며, 미세 점 같은 구조 403이 그 위에 형성된다. 이러한 이유에서, 광학 필터 400의 특성(주기, 굴절율)에 따라 특정 파장의 빛 410에 대힌 P 편광 411 또는 S 편광 412를 반사하는 작용을 한다.
상기 광학 필터 400의 제조 방법이 도 39a-39d에 도시되어 있다. 먼저. 마스터 기판 및 스탬퍼 및 성형 사출을 사용하는 통상의 광학 디스크의 제조 방법을 통해 높이 20nm, 비평탄성(랜드 그루브) 피치 400nm인 0.6mm 두께를 갖는 폴리카보네이트 기판 401을 동심원 모양으로 형성하였다.
다음으로, 폴리카보네이트 기판 401 상에 10-nm-두께의 ZnS층 402로 형성된 200nm 두께를 갖는 혼합 재료층 404 및 ZnS, SiO2 및 Zn(몰 분율: 64:13:33)을 차례로 적층하였다. 이는 스퍼터링 장치 CFS-8EP-55(시바우라 메카트로닉스 사)를 사용하여 RF 스퍼터링함으로써 형성된다(도 39a 참조)
파장이 405nm인 청색 레이저 광 406을 0.85dml NA를 갖는 레이저빔 조사 장치(시바소쿠 사 제조)의 대물 렌즈 405로 집광한다. 트랙킹을 수행하고, 회전하는 폴리카보네이트 기판 401에 대해 10mW 펄스 광 출력으로 펄스 광 조사를 수행함으로써, 혼합 재료층 404의 표면에 포커스(focus)를 수행하였다(도 39b 참조).
그런 다음, 플루오르화 수소산 407에 10초동안 2 중량%로 침지한 후에, 식각한 다음(도 39c 참조), 순수로 세척, 건조하여, 미세 구조 403이 주기적으로 배열된 광학 필터 400을 얻었다(도 33d 참조). 이때 레이저 빔406이 완전히 조사된 혼합 재료층 404는 남아서, 미세 구조 403이 된다. 트랙 방향의 미세 구조 403의 갭은 약 400nm이다.
광학 필터 400의 주사전자현미경 사진이 도 40a 및 도 40b에 도시되어 있다. 도 40a 및 도 40b의 사진은 각각 상면 방향과 경사 방향에서 찍은 것이다.
도 41에 도시된 바와 같이, 광학 필터 400과 폴리카보네이트 기판 401에 S 편광을 투과함으로써, S 편광에 대한 파장 의존도를 측정하였다. 유사하게, 90도로 회전된 광학 필터 400내로 S 편광을 투과시킴으로써, S 편광에 대한 파장 의존도를 측정하였다. 상기 측정에서는, 고속 분광 타원계 M-2000DI(J.A Wollam Japan)가 측정 장치로 사용되었으며, 측정 스팟 지름은 약 3mm이고, 상기 측정은 선형 편광을 사용하는 투과 측정 모드에서 수행되었다.
중심 파장이 674nm 및 701nm인 광학 필터일 때, 90도 회전되지 않는 광학 필터의 경우, 선폭의 좁은 디프(dip)가 상대적으로 나타나고, 도 41로부터 90도 회전시키고, 중심 파장을 655nm로 만들면 디프가 보이는 것으로 나타났다. 따라서, 광학 필터 400은 특정 파장 영역의 편광을 걸러내는 작용을 한다. 이때, 반사 요소 측정은 투과되지 않는 디프(dip) 파장에 관계된 빛이 반사됨을 보여준다.
다음으로, 레이저빔 406의 펄스 광 출력이 변화된 것을 제외하고는, 광 필터 400이 상기와 같이 제조되었을 때, 펄스 광 출력이 더 큰 경우에는 디프(dip)의 깊이가 더 깊어짐을 알 수 있다. 이 경우 또한, 구현에 17과 같이 레이저빔 406을 조사함으로써, 투광 재료의 패턴 형성을 수행하였다.
구현예 19
발광 장치의 예로, 도 42a 및 도 42b에 도시된 무기 전자발광(EL) 소자들 500A 및 500B를 제조하였다. EL 소자에서, 발광은 포지티브 홀(positive hole)과 전자의 재조합에 의해 일어난다. EL 소자에서 평판이 종종 사용되지만, 비평탄 패턴이 형성된 기판이 사용되면, 임계각 아래의 입사광은 산 레지스팅 효과(acid resisiting effect)에 따라 투과될 것이며, 방출되지 않는 임계각을 초과하는 입사광은 일반적으로 회절광으로 방출될 수 있다. 결과적으로, 광 방출 효율은 약 1.5배까지 증가한다.
무기 EL 소자 500A는 ZnS층 302가 폴리카보네이트 기판 301상에 형성되고, 선형 미세 구조 303이 ZnS 층 302 상에 주기적으로 형성된 편광 분리 소자 300(회절 격자)을 포함한다. 미세 구조 303이 형성되지 않은 폴리카보네이트 기판 301의 표면 상에, ITO(인듐 주석 산화물, Indium tin oxide)로 형성된 캐소드 501, ZnS-Mn(Mn의 함량 퍼센트는 수 중량%임)으로 형성된 발광층 502 및 Al로 형성된 애노드 판 503이 순서대로 차례로 적층된다.
무기 EL 소자 500A와 유사하게, 무기 EL 소자 500B는 회절 격자를 가지며, 캐소드 501, 발광층 502 및 애노드 판 503이 이 순서대로 차례로 미세 구조 303 상에 적층된다.
이 구현예에서, 각각의 미세 구조 303은 가시 광 영역에서 고 투과율을 가지며, EL 소자를 구성하는 재료로서 적합하다.
캐소드 501과 애노드판 503 사이에 직류 또는 교류 전압이 적용되면, 엘로우-오렌지 발광(중심 파장 : 585nm)가 보이고, 무기 EL 소자 500A 및 500B 각각의 경우에 상기 발광 효율(광 추출 효율)이 미세 구조 303이 형성되지 않은 경우보다 증가하게 된다.
구현예 19에서는 ZnS-Mn이 발광층 502에 사용되지만, 본 발명이 이 구현예에 의해 한정되는 것은 아니다. 선택적으로, CaSSe-Eu, CaS-Eu, SrS, Cu, SrS-Ce, BaAl2S4-Eu, BaZnS3-Mn 및 ZnMgO와 같은 임의의 다른 발광 재료가 사용될 수 있다.
또한, 발광층 502에 페닐렌-비닐렌 계열 및 아릴렌 계열과 같은 유기 발광 재료를 사용하고, 직류 전압을 공급함으로써 유기 EL 장치를 제조할 수 있다.
구현예 20
광전자 변환기(photoelectric transducer)의 예로, 도 43에 도시된 염료 감응형 태양 전지 600을 제조하였다. 광전자 변환기는 빛을 흡수하여, 전기로 변화시키는 광 전자 전환층(photoelectric conversion layer)을 가진다. 흡수된 광량은 광전자 전환층의 두께가 증가함에 따라 증가한다. Si 반도체 또는 유기 반도체로 형성된 광전자 전환층은 광기전 효과(photovoltaic effect)를 가진다. p-n 연결(junction) 부분 또는 쇼트키(Schottky) 연결 부분이 여기된 광(excited light)에 의해 조사되면, 그 결과 생성된 전자와 포지티브 홀이 계면 전기장에 의해 서로 분리되고, 그들 사이에 위치 차이가 발생한다.
일반적으로, 광전자 변환기에는 평판이 사용된다. 비평탄 패턴이 형성된 기판이 사용될 경우, 광전자 전환층 내에서 다중 경로 반사(multipath reflection)가 증가하고, 광자 포함 효과(photon inclusion effect)가 발생한다. 결과적으로, 광전자 전환 효율이 3 내지 5%까지 증가한다.
구현예17과 유사하게, 염료 감응형 태양 전지 600에서, 선형 미세 구조 602는 평평한 유리 기판 601 상에 형성되고, 캐소드 603이 미세 구조 602 상에 추가로 형성된다.
광전자 전환층 606은 유리 기판 604 상에 형성된 애노드 판 605 및 캐소드 603 사이에 끼워진다. 색소(coloring matter), 티타니아, 전해질 및 산화 환원 쌍(redox pair)이 광전자 전환층 606에 포함된다.
본 구현예에서는 색소로 루테늄 복합체인 RuL2(NCS)2 (L=4,4'-디카르복시-2,2'-바이피리딘)가 사용된다. 그러나, 본 발명이 본 구현예에 한정되는 것은 아니다. 선택적으로, 포피린 계열 또는 시아닌 계열과 같은 다른 색소가 대신 사용될 수 있다.
본 구현예에서는 티타니아로, 입자 지름이 약 10-30nm인 티타니아 미립자가 사용된다. 티타니아 미립자에 대한 X선 회절은 이들이 대부분 아나타제 타입(anatase type)임을 보여준다. 상기 티타니아는 스퍼터링 법에 의해 형성될 수 있다. 비결정(amorphous)형이 함유되면, 광전자 전환 효율이 감소한다. 이를 피하기 위해, 높은 결정성 정도를 갖는 미립자를 사용하는 것이 바람직하다.
본 구현예에서는 전해질 및 산화 환원 쌍으로, (0.5M의 요오드 리튬(LiI) 및 0.05M의 요오드 금속(I2)를 분자량 220의 폴리에틸렌 글리콜에 첨가한) 저출력 전지용 전해질 용액 Iodolyte TG 50(Solarnix 사)이 사용된다. 그러나, 본 발명이 본 구현예로 한정되는 것은 아니다. 전해질로 리튬 이온 같은 음이온들 및 염소 이온과 같은 양이온들을 사용할 수 있다. 산화 환원쌍으로, 요오드-요오드 화합물, 브롬-브롬 화합물 등이 사용될 수 있다.
광전자 전환층 606에서, 상기 색소는 빛을 흡수하여 전자를 방출하고, 반도체의 티타니아(TiO2)는 캐소드 603으로 이송되는 전자들을 수용한다. 색소 내에 남아 있는 홀(h+)은 요오드 이온(I-)을 산화시키고, 트리-요오드 이온(I3-)을 형성한다. 상기 I3-는 애노드 판 605에 의해 환원된다. 상기 사이클을 반복함으로써, 전류가 발생한다.
본 구현예에서는 캐소드 603 및 애노드 판 605로, ITO(indium tin oxide, 5%의 주석 산화물, 95%의 인듐 산화물)가 사용된다. 그러나, 본 발명이 본 구현예로 제한되는 것은 아니다. 선택적으로, 플루오르가 주석 산화물에 도핑된 FTO 필름이 사용될 수도 있다.
미세 구조 602는 석영의 유리 기판 601 이외에, 폴리카보네이트 기판 등 상에 형성될 수 있다. 그러나, 광전자 변화기에서, ITO를 형성할 때, 온도가 약 500℃까지 증가하므로, 내열성이 우수한 유리기판 701이 일반적으로 사용된다. 본 구현예에서, 미세 구조 602는 ZnO를 포함한다.
상기 미세 구조 602는 또한 Si 얇은 필름 태양 전지, CIGS 태양 전지(Cu(In1-x, Gax)Se2) 및 구리-인듐-갈륨-셀레늄 계열 재료을 사용하는 태양 전기와 같은, 염료 감응 타입의 태양 전지 이외의 태양 전지에도 적용될 수 있다.
구현예 21
도 44a 및 도 44b에 도시된 비구면 광학 렌즈를 제조하였다. 도 44a는 상기 비구면 광학 렌즈의 투시도이고, 도 44b는 상기 비구면 광학 렌즈의 단면도이다. 최대 지름은 약 2마이크로미터이고, 높이는 약 2.5마이크로미터이며, 비구면 렌즈 700은 초-반구(super-half sphere)와 유사한 형상이며, 최대지름이 석영 기판 701에 접촉한 표면의 렌즈 지름보다 약간 더 크다.
660nm 파장을 갖는 빛에 대한 투과도는 거의 90%이며, 상기 비구면 광학 렌즈 700은 가시광 영역에서 충분히 사용가능한 투과도를 갖는다.
비구면 표면 광학 렌즈 700은 폴리카보네이트 기판 401 대신에 평평한 석영 기판 701을 사용하고, 파장이 405nm인 청색 레이저 광 506 대신 파장이 780nm인 레이저 빔을 사용한다는 점을 제외하고는 구현예 18과 동일한 방법으로 제조될 수 있다.
파우더 X-선 회절의 결과로부터, 비구면 광학 렌즈 700이 매우 약한 Zn 피크와 강한 ZnO 피크를 가짐이 증명되었다. 이것은 Zn이 대부분 산화되어 ZnO가 형성되었음을 보여준다. 이에 의해, 상기 비구면 렌즈 700의 가시광 영역에서의 투과도가 증가한다.
얇은 필름에 대한 어닐링 실험의 결과로부터, 상기 비구면 광학 렌즈 700의 굴절율은 약 2.2로 측정되었다. 상기 비구면 광학 렌즈 700은 석영보다 높은 굴절율을 가지며, 무기 재료를 함유하고, 신뢰성(reliability)이 높다. 상기 비구면 표면 광학 렌즈 700은 석영 기판 701 상에 형성될 수 있으며, 쉽게 조각으로 나뉠 수 있다.
상기 비구면 광학 렌즈 700의 형상은 제한되지 않는다. 레이저빔 506의 펄스 광 세기 또는 혼합 재료층 504의 두께를 변화시킴으로써, 반구형 형상에 상기 비구면 광학 렌즈 700을 배열할 수 있다.
다음으로, 함께 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 1회-기록 정보기록매체(write-once information recording medium)의 구현예를 설명한다.
구현예 1(본 발명의 1회-기록 정보기록매체(write-once information recording medium)의 예)의 1회-기록 정보기록매체(write-once information recording medium)의 단면도가 도 45a 및 도 45b에 도시되어 있다. 도 45a는 레이저빔을 조사하여 기록(recording)하기 전의 1회-기록 정보기록매체(write-once information recording medium)의 상태를 보여주며, 도 45b는 레이저 빔을 조사하여 기록(recording)한 후의 1회-기록 정보기록매체(write-once information recording medium)의 상태를 보여준다. 도 45a 및 도 45b는 개략도이며, 실제 두께 또는 지름과 관계된 것이 아니다.
구현예 1의 1회-기록 정보기록매체(write-once information recording medium)에서, 트랙 피치는 0.32 마이크로미터이고, CNR(Carrier to Noise Ratio)는 45dB이며, 기록 마크(recording mark)의 주기는 300nm이다. 기판 1은 0.32 마이크로미터의 트랙 피치와 함께 랜드와 그루브의 반복 비평탄성을 가지는 폴리카보네이트 기판이다. 상기 기판 1 상에, 40nm 두께의 Ag로 이루어진 반사층 2, 두께 50nm의 ZnS-SiO2(몰 분율: 80:20)으로 이루어진 하부 유전체층 3, 15nm 두께의 ZnS, SiO2 및 ZnTe(몰 분율: 70:20:10)으로 이루어진 기록 층 4, 두께 40nm의 ZnS-SiO2(몰 분율: 80:20)로 이루어진 상부 유전체층 5 및 100 마이크로미터의 두께를 가지는 광 투과 타입의 아크릴 수지로 이루어진 보호층 6을 이 순서대로 순차적으로 적층한다.
상기 기록층 4에 정보를 기록하기 위해서, 구현예 1의 1회-기록 정보기록매체(write-once information recording medium)의 상기 기록층 4에 광 픽업(optical pickup)을 사용하여 레이저빔을 조사하면, 도 45b에 도시된 바와 같이, 동공(cavity)에 의해 형성되는 기록 마크(recording mark) 7을 상기 기록층 4에 형성할 수 있다.
구현예 1의 1회-기록 정보기록매체(write-once information recording medium)는 다음과 같이 제조된다.
즉, 스탬프를 이용하는 사출 성형을 통해 랜드와 그루브의 트랙 피치 0.32 마이크로미터를 갖는 반복 비평탄성을 가지는 폴리카보네이트로 된 기판 1을 제조하였다. 다음으로, 상기 반사층 2(Ag, 두께: 40nm), 하부 유전체층 3(ZnS-SiO2, 몰 분율: 80:20, 두께:50nm), 기록층 4(ZnS, SiO2 및 ZnTe, 몰 분율: 70:20:10, 두께:15nm) 및 상부 유전체층 5(ZnS-SiO2, 몰 분율: 80:20, 두께:40nm)을 스퍼터링 장치 CFS-8EP-55(시바우라 메카닉스 사)를 사용하여 스퍼터링함으로써, 상기 기판 1 위에 순서대로 차례로 적층한다.
그런 다음, 상기 유전체 층 5 위에 아크릴 수지의 스핀 코팅을 수행하고, UV 조사에 의한 경화를 수행하여, 보호층 6(광 투과 타입이며, 두께: 100마이크로미터)을 형성한다.
구현예 1의 1회-기록 정보기록매체(write-once information recording medium)의 기록 및 재현은 3은 다음과 같이 수행된다. 즉, 청색 레이저빔(파장: 405nm)을 광 픽업을 갖는 레이저빔 조사 장치의 대물 렌즈 12(렌즈 NA : 0.85)를 이용하여, 기록층 4의 표면 상에 포커싱한다. 상기 포커싱은 보호층 6 쪽으로부터 수행되며, 상기 레이저빔은 예정된 기록 전략(기록시 레이저빔의 방출 파형 제어)에 따라 다중-펄스 조정되며, 상기 기록층 4에 임의의 데이터를 기록한다.
유사하게, 상기 정보는 레이저빔(파장: 405nm)을 연속적으로 조사함으로써 광 픽업을 사용하는 기록 매체로부터 재현되고, 상기 재현 신호를 볼 수 있다. 이러한 방법으로, 구현예 1의 기록층 4에 기록된 임의의 데이터에 기초한 정보를 재현하고, 구현예 1의 구현예 1의 1회-기록 정보기록매체(write-once information recording medium)의 작용 및 성능을 체크한다.
기록 후에, 원자 현미경(atomic force microscope, AFM)을 이용하여, 표면 형상을 체크할 경우, 1회-기록 정보기록매체(write-once information recording medium)의 기록층 4 내에 기록 마크가 형성된 영역에서 공동(cavity) 및 확장(expansion)이 관찰된다.
상기 확장(expansion)은 그 안에 미세 공동(cavity)을 포함한다. 상기 공동(cavity) 및 확장(expansion)은 각각 상기 기록층 4에 레이저빔을 조사함으로써, 기록을 수행한 후에 발생하며, 공동 및 확장의 존재로 인해, 상기 기록층 4의 반사 요소가 기록 전,후에 달라지게 된다. 상기한 임의의 데이터에 기초한 정보는 기록층 4에 기록되며, 이 정보가 재현가능함은 분명하다.
구현예 1의 1회-기록 정보기록매체(write-once information recording medium)의 기록층 4 내에 형성된 기록 마크 내에 존재하는 상기 공동 및 상기 확장을 관찰하기 위해, 다음 실험을 실시하였다.
즉, 관찰될 시료를 다음과 같이 제조하였다. 스퍼터링 장치 CFS-8EP-55(시바우라 메카트로닉 사)를 사용하여 스퍼터링함으로써, 폴리카보네이트로 이루어진 기판 1 상에, ZnS, SiO2 및 ZnTe(몰 분율: 70:20:10, 두께:40nm)로 이루어진 기록층 4를 형성한다. 그리고, 이 시료의 기록층 4에 펄스 레이저 조사(파장: 405nm, 대물렌즈 NA:0.85)를 수행한다. 상기 펄스 레이저 조사는 400nm 간격으로 수행되었으며, 선 속도는 4.5m/sec이다.
이때, 상기 시료의 표면(기록층 4)에 형성된 기록 마크의 주사전자현미경(SEM) 사진이 도 46a 및 도 46b에 도시되어 있다. 상기 상태의 1회-기록 정보기록매체(write-once information recording medium)에서, 보호층 6이 기록층 4 위에 적층되어 있어, 기록층 4의 표면 상태 관찰이 어렵다. 실험에서는 상기한 시료를 제조하고, 기록층 4에 형성된 기록 마크를 관찰하였다.
도 46a는 레이저빔의 조사 세기가 6mW일 때의 SEM 사진을 보여주며, 도 46b는 레이저비의 조사 세기가 7mW일 때의 SEM 사진을 보여준다.
도 46b의 경우에, 약 80nm의 지름을 가지는 홀 9가 거의 모든 레이저빔 방출 부분에 형성된다. 도 46a의 경우에, 레이저 조사 부분 8은 확장 상태(expansion state)이며, 공동(cavity)들이 상기 레이저 조사 부분 8의 내부에 형성된다. 이러한 상태는 AFM 측정 또는 투과 전자 현미경(TEM)에 의해서도 유사하게 관찰된다.
확장(expansion) (상태) 및 동공(cavity)이 본 발명의 1회-기록 정보기록매체(write-once information recording medium) 내의 반사 요소(reflection factor) 변화에 기여하는 것으로 측정되었다. 상기 레이저 빔의 스팟 지름은 약 400nm이지만, 본 발명의 상기 1회-기록 정보기록매체(write-once information recording medium)는 상기 스팟 지름을 충분히 작은 지름 80nm의 홀(hole)을 형성할 수 있다는 점에서 유리하다.
구현예 1의 1회-기록 정보기록매체(write-once information recording medium) 내의 기록층 4를 구성하는 혼합 무기 재료에는 재료 A의 황 화합물로 ZnS(아연 설파이드)를 포함하고, 재료 B의 실리콘 산화물로서 SiO2(실리콘 디옥사이드)를 포함하며, 재료 C로 ZnTe(아연 텔루라이드)를 포함한다. 구현예 1의 1회-기록 정보기록매체(write-once information recording medium) 내의 기록층 4의 ㄷ두께와 동일한 15nm의 두께를 가지는 ZnS-SiO2(몰 분율: 50:50 - 90:10)의 광 투과도는 약 100%이다. 즉, 재료 C인 ZnTe를 제외한 기록층 4를 구성하는 혼합 무기 재료들은 ZnS-SiO2와 동일하다. 이는 거기에 재료 C인 ZnTe를 첨가함으로써 ZnS-SiO2의 가시광 영역에서의 광 투과도가 떨어짐을 보여준다.
특히, 동일한 두께를 갖는 ZnS-SiO2(재료 A 및 재료 B)로 형성된 층과, ZnS, SiO2 및 ZnTe(혼합 무기 재료 : 재료 A, 재료 B 및 재료 C)로 형성된 층들의 가시광 영역에서의 광 투과도를 비교하였을 때, ZnTe의 함량 비율이 증가할수록, 전체 투과도가 떨어지지만, 광 흡수능은 증가하는 것으로 나타났다.(소화 계수 k는 10-1의 차수에서 10-3의 차수까지 증가한다.) 광 흡수능은 분광 타원계(spectroscopic ellipsometer)를 사용하여 측정하였다.
ZnS-SiO2(몰 분율: 80:20)의 소화 계수 k는 405nm의 파장에서 약 1×10-3이다. 한편, 혼합 무기 재료로 형성된 기록층 4의 소화 계수 k는 405nm 파장에서 약 1×10-1이다. 따라서, 구현예 1에서, 상기 기록층에 재료 C를 첨가한 결과로, 소화 계수를 약 1×10- 1으로 만들 수 있으며, 청색 반도체 레이저 빔의 흡수를 쉽게 할 수 있는 것으로 나타났다. 상기 소화 계수 k는 분광 타원계를 이용하여 측정되었다(J.A Wollam Japan, VASE).
도 45a 및 도 45b에 도시된 구현예 1의 1회-기록 정보기록매체(write-once information recording medium)에서, 상기 기록층 4는 하부 유전체층 3 및 상부 유전체층 5 사이에 삽입된다. 반대로, 도 47a 및 도 47b에 도시된 구현예 2의 1회-기록 정보기록매체(write-once information recording medium)에는 하부 유전체층 3 및 상부 유전체층 5가 존재하지 않으나, 기판 1상에 기록층 4가 형성되고, 보호층 6이 상기 기록층 4 위에 바로 형성된다. 구현예 1에서 상기 기록층 4의 두께는 15nm이나, 구현예 2에서 상기 기록층 4의 두께는 40nm로 변한다.
도 47a는 구현예 2의 1회-기록 정보기록매체(write-once information recording medium)의 평면도이고, 도 47b는 구현예 2의 1회-기록 정보기록매체(write-once information recording medium)의 단면도이다.
구현예 1의 1회-기록 정보기록매체(write-once information recording medium)는 기록층 4가 하부 유전체층 3 및 상부 유전체층 5 사이에 끼워진 구성을 가지며, 구현예 2의 1회-기록 정보기록매체(write-once information recording medium)에 비교하여 신뢰성이 우수하다. 구현예 1의 1회-기록 정보기록매체(write-once information recording medium)와 유사하게, 구현예 2의 1회-기록 정보기록매체(write-once information recording medium)가 기록층 4 내의 임의의 데이터에 기초한 정보의 기록 및 재현을 수행할 수 있는지에 대해 체크하였다. 체크 결과, 구현예 1의 1회-기록 정보기록매체(write-once information recording medium)와 유사하게 기록 및 재현을 수행할 수 있는 것으로 나타났다.
구현예 3에서, 광학 정보 기록 매체(디스크)용 마스터 기판을 제조하였다. 구현예 3에서 제조된 마스터 기판의 단면도가 도 48a에 도시된다. 도 48a에 도시된 바와 같이, 기록 피트 11이 얇은 필름 10 위에 형성된다. 트랙 피치는 0.32 마이크로미터이고, 가장 짧은 피트 크기는 150nm이다. 사용된 기판은 석영 기판이다.
구현예 3에서 얻어진 석영으로 이루어진 마스터 기판을 사용하면, 광학 디스크 사출 성형을 위한 스탬퍼 및 광 정보 기록 매체를 제조할 수 있다.
다음으로, 도 48a의 마스터 기판의 제조 방법을 도 48b를 참조하여 설명하기로 한다.
도 48b는 마스터 기판을 보여주는 단면도이다. 석영 기판 14 상에 형성된 패턴 형성 층인 얇은 필름 10에 대물렌즈 12를 사용하여 집광된 레이저 빔 13을 조사하여 기록 피트 11(오목 패턴(홀 또는 톱니 모양))을 형성한다.
마스터 기판의 제조 방법을 설명한다. 먼저, 높은 표면 정밀성을 가지는 석영 기판을 준비한다. 그런 다음, 스퍼터링 장비 CFS-8EP-55(시바우라 메카트로닉사)를 사용하여 RF 스퍼터링을 수행하여, 상기 기판의 ZnS, SiO2 및 Zn(혼합 무기 재료, 몰 분율: 54:13:33)으로 이루어진 패턴 형성층을 형성한다. 상기 패턴 형성층의 두께는 약 40nm이다. 이것은 미세 패턴이 형성되기 전 패턴 형성층이다.
다음으로, 도 48b에 도시된 바와 같이, 레이저 조사 장비 LA330(시바소쿠 사)의 대물 렌즈 12(렌즈 NA:0.85)를 사용하여, 청색 레이저 빔 13(파장 : 405nm)을 패턴 형성 층에 조사한다. 상기 레이저빔은 다중-펄스 조절되었으며, 레이저 빔 조사는 기록층에 임의의 데이터를 기록하기 위해 수행된다.
이러한 공정에 의해 홀-과 같은 피트(오목 패턴)이 상기 패턴 형성층의 레이저 조사 부분에 형성된다. 원자 현미경(AFM) 및 주사전자현미경(SEM)에 의해 상기 피트의 형성을 확인하였다. 상기 피트의 깊이는 약 40nm이다. 이는 혼합 무기 재료로 형성된 패턴 형성층의 두께와 관계가 있다. 타원법 VASE(J.A. Wollam Japan)을 사용한 측정에서, 상기 혼합 무기 재료로 형성된 패턴 형성층의 소화 계수 k는 약 1×10-1이다.
피트가 상기 패턴 형성층 내에 형성된 석영 기판은 광 디스크 사출 성형용 스탬퍼의 마스터 기판으로 사용될 수 있다.
다음으로, 구현예 3의 마스터 기판에 기초하여, Ni 전기주조 (electroforming)가 수행되고, 실질적으로 Ni 스탬퍼를 제조하였다. 그런 다음, Ni 스탬퍼를 이용한 사출 성형 또는 2P-트랜스퍼(광-중합)으로 BD-ROM 기판을 제조하였다.
상기 경우에, Ni 전기 주조를 수행하고, 이것을 RIE(Reactive Ion Etching) 장비에 장착하고, CF4 기체로 식각을 수행하고, 상기 석영기판 상에 메이킹 폼(making-form)을 반영한 다음, Ni 전기 주조를 수행할 수 있다. 기록 피트 15가 석영기판 상에 형성된 석영 기판 14의 부분이 도 49에 도시되어 있다.
기록 피트 15가 ZnS, SiO2 및 Zn(혼합 무기 재료, 재료 A, 재료 B 및 재료 C)로 형성된 패턴 형성층 내에 형성되었다. RIE 식각하고, 이 패턴 형성층을 플루오르화 수소산으로 제거하고(SiO2를 플루오르화 수소산으로 식각함), 아르곤 가스를 이용하여 잔여물을 추가로 제거하여, 도 49의 석영기판 14를 제조할 수 있다.
광 정보 기록 매체용 마스터 기판을 제조하였다. 마스터 기판의 표면 개략도가 도 48a에 도시되어 있다. 도 48a에 도시된 바와 같이, 기록 피트 11이 얇은 필름 10 상에 형성된다. 트랙 피치는 0.32마이크로미터이고, 가장 짧은 피트 크기는 150nm이다. 상기 기판 재료는 석영이다. 상기 석영으로 만들어진 마스터 기판으로부터 광학 정보 기록 매체를 사출 성형하는 광학 디스크용 스탬퍼를 또한 제조할 수 있다.
도 48a의 마스터 기판 제조 방법을 도 48b를 참조하여 설명하고자 한다. 도 48b는 단면도이다.
기록 피트 11은 석영 기판 14 상에 얇은 필름 10(패턴 형성층)에 대물렌즈 12로 집광된 레이저 빔 13을 조사함으로써 형성된다.
먼저, 높은 표면 정밀성을 갖는 석영 기판을 준비하였다. 그런 다음, 그것을 스퍼터링 장비 CFS-8EP-55(시바우라 메카트로닉 사)를 사용하여 형성된 패턴 형성층에 대하여 ZnS, SiO2 및 AgInSbTe(혼합 무기 재료, 몰 분율: 54:13:33)으로 RF 스퍼터링한다.
상기 석영 기판 상에 40nm의 두께로 형성된다. 이 층은 패턴 형성층으로 사용된다. AgInSbTe의 조성비는 6:0.7:25.1:68.2(Ag6In0 .7Sb25 .1Te68 .2)이다. 이하에서는 편의상, AgInSbTe로 부르기로 한다.
다음으로, 도 48b에 도시된 바와 같이, 청색 레이저빔 13(파장:405nm)을 레이저빔 조사 장비의 대물렌즈 12(렌즈 NA:0.85)로 집광하여, 패턴 형성층에 적용하고, 임의의 데이터를 기록하기 위해, 상기 레어지빔을 다중-펄스 조절하였다.
홀-과 같은 피트(오목 패턴)가 이러한 공정의 패턴 형성층의 레이저 조사 부분에 형성된다. 원자 현미경(AFM) 및 주사전자현미경(SEM)에 의해 상기 피트의 형성을 확인하였다. 상기 피트의 깊이는 약 40nm이며, 패턴 형성층의 두께와 동일하다. 상기 혼합 무기 재료로 형성된 패턴 형성층의 소화 계수 k는 약 1×10-1이다.
따라서, 상기 피트가 형성된 석영 기판은 광 디스크 사출 성형용 스탬퍼의 마스터 기판으로 사용될 수 있다. 본 발명에 의한 마스터 기판에 기초하여 Ni(니켈) 전기 주조가 실제로 수행되었으며, Ni 스탬퍼를 제조하였다. 그런 다음, Ni 스탬퍼를 이용한 사출 성형 또는 2P 트랜스퍼(광-중합)로 읽기-전용 매체(ROM)를 제조하였다.
본 구현예에서, AgInSbTe는 재료 A의 (ZnS) 및 재료 B의 (SiO2)의 혼합물에 첨가되는 재료 C로 사용된다. 상기 AgInSbTe는 무기 재료로 이루어진 4원소-기초 혼합물이다. 상기 홀(피트)는 패턴 형성층 내에 형성될 수 있으며, 이 재료 C에 의해 마스터 기판을 제조할 수 있다. 따라서, 광 흡수능을 보강하는 재료(금속, 반금속 또는 반도체의 무기 재료)을 재료 C로 사용하고, 상기 혼합 무기재료 내의 광 흡수능과 관련된 레이저빔의 조사 조건을 적절히 선택하면, 마스터 기판 제조가 가능하다.
광학 비반사 필름(반사 방지 필름)용 마스터 기판을 제조하였다. 상기 광학 비반사 필름용 마스터 기판의 개략도가 도 50a 및 도 50b에 도시되어 있다. 도 50 a는 원형 피트 17의 주기 구조를 포함하는 패턴을 갖는 마스터 기판의 상측면도를 개략적으로 보여준다. 도 50b는 마스터 기판의 단면도이다.
주기는 약 300nm이고, 공동 지름은 약 80nm이며, 필름 두께는 약 20nm이다. 상기 기판은 석영 기판이며, 혼합 무기 재료의 패턴 형성층 16이 형성된다.
상기 석영 기판 18 상에 형성되는 패턴 형성층 16 내의 주기 구조들의 재료(혼합 무기 재료)는 ZnS, SiO2 및 Zn(68:17:15)이다.
주기 구조가 형성되지 않은 동일 두께의 석영 기판과 비교할 때, 400-600nm 범위에 있는 파장을 갖는 빛에 대한 투과도가 증가하였고, 거의 100% 비반사에 도달하는 광학 비반사 필름이 형성되는 마스터 기판을 제조할 수 있다. 이는 상기 미세 구조에 의해 상기 주기 구조가 반사를 제어하고, 입사광을 투과시키는 모스-아이 구조로 변하기 때문이다.
마스터 기판 그 자체를 광학 비반사 필름으로 사용할 수도 있으나, 이를 마스터 몰드로 사용함으로써, Ni 전기 주조를 통해 많은 광학 비반사 필름을 재현하는 것이 대량 생산에 적합하다. 광학 비반사 필름은 레어 프로젝션 스크린과 같은 편광판 및 프로젝터 디스플레이, 태양 전지 등에 사용된다.
제조 방법을 설명한다. 먼저, 석영 기판 18 상에 ZnS, SiO2 및 Zn(몰 분율 : 68:17:15)으로 이루어진 얇은 필름 16(패턴 형성층)을 형성한다. 상기 얇은 필름을 형성한 후에, XY 스테이지에 놓고, 얇은 필름 16(패턴 형성층)에 대물 렌즈(NA :0.85)를 이용하여 집광된 청색 레이저 빔(파장: 405nm)을 조사한다.
주어진 간격(주기 : 300nm, 레이저 전력:11mW)으로 펄스 광을 조사함으로써 주기적인 피트를 형성한다. 웨이퍼로 마스터 기판을 제조한 후에, 디싱(dicing)으로 수 제곱밀리미터의 조각으로 분리하고, 세척을 수행하여 불순물을 제거한다.
도 51은 주기적인 피트가 형성된 패턴 형성층을 가진 석영 기판을 이용하여 식각을 수행한 석영 기판 18의 단면도이다.
패턴 19가 상기 석영 기판 18 상에 형성된다. 상기 패턴 내에 형성된 혼합 무기 재료로 이루어진 필름은 광학 비반사 필름으로 사용할 수 있다. 그러나, 상기 기판의 재료들과 상기 얇은 필름의 재료들이 서로 다를경우, 광학 비반사 필름으로서의 효과가 약해지고, 다음 디싱 공정에서 박리가 일어날 수 있다. 이러한 문제를 피하기 위해, 혼합 무기 재료로 이루어진 필름을 석영 기판 18까지 식각하여, 석영기판으로 그 (패턴)을 전사함으로써 상기 패턴의 복사를 수행한다.
석영 기판 18의 표면에 형성된 패턴 19(피트)의 형상은 마스크(레지스트)로 사용되는 ZnS, SiO2 및 Zn(몰 분율: 68:17:15)으로 이루어진 구조의 형상에 매우 가깝다.
이러한 경우에, ZnS, SiO2 및 Zn(몰 분율: 68:17:15)로 이루어진 구조의 CF4에 대한 식각 속도는 충분히 작고, 높은 종횡비(수평 길이보다 수직 길이가 더 큼)의 형상을 제조할 수 있다.
도 52a 및 도 52b는 혼합 무기 재료로 형성된 기록 층에 레이저 빔을 조사한 본 발명의 구현예의 광학 정보 기록 매체의 시료의 주사전자현미경 사진을 보여준다. 두께 40nm의 얇은 필름 20을 폴리카보네이트의 기판 상에 형성하기 위해, ZnS, SiO2 및 Ag(몰 분율:72:18:10)으로 이루어진 혼합 타겟을 이용하여, 스퍼터리을 수행하였으며, 각각의 시료에 레이저 빔(파장: 405nm, NA 0.85)을 조사하였다.
도 52a의 경우에 레이저 전력은 8mW이다. 확장 부분(expansion part 21)이 얇은 필름 20에 형성된다. 도 52B의 경우, 레이저 전력은 9mW이다. 약 80nm의 지름을 갖는 홀 22가 형성된다. 혼합 타겟을 형성할 수 있는 재료들을 사용하면, 금속, 반금속 및 반도체 중 어느 것으로 제조될 수 있는 혼합 타겟을 사용할 수 있다.
다른 소자들보다 청색 레이저에 대한 투과율이 큰 ZnO가 Ag 대신 재료 C로 사용될 수 있다. 특히, ZnTe-ZnO가 재료 C로 사용될 때, ZnS, SiO2, ZnTe 및 ZnO(63:18:10:8)의 혼합 재료들이 제조될 수 있으며, 동일한 방법으로 레이저 빔을 조사하여 말단이 날카로운 홀들을 형성할 수 있다.
Ag 대신 InSb, AgInSbTe 및 GeSbTe 중 어느 것을 재료 C로 사용하고, 레이저 빔 조사를 수행할 경우, 상기 피트들을 형성할 수 있음이 확실하다.
본 발명의 1회 정보기록매체는 CD-R, DVD-R, HD DVD(High-Definition Digital Versatile Disc) 및 BD-R(BLu-ray Disc Recorable)을 포함하는 1회 기록 매체로 적용될 수 있다. 본 발명의 정보기록매체는 또한, 저장 용량을 늘리기 위해 둘 이상의 기록층이 단일 광 기록 매체 내에 형성된 다층 디스크에 적용될 수 있다. 본 발명의 1회 정보 기록 매체는 저장 용량을 늘리기 위해 기록층 내에 좁은 트랙 피치가 형성된 단일-층 디스크에 적용할 수 있다.
본 발명의 마스터 기판은 읽기-전용 매체(ROM : Read-Only Memory)용 또는 저렴한 비용으로 정보기록매체를 제조하기 위한 나오-임프린팅용 마스터 기판으로 사용되기에 적합하다.
본 발명은 상기한 구현예에 제한되지 않으며, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 다양한 변형 및 수정이 가능하다.
본 출원은 2007년 3월 19일에 제출된 일본 특허 출원 번호 2007-071485, 2007년 3월 26일에 제출된 일본특허 출원 번호 2007-079482, 2007년 4월 27일에 제출된 일본 특허출원 제 2007-120218, 2007년 10월 24일에 제출된 2007-276730호에 대한 우선권의 이익을 주장하며, 이들의 내용은 모두 참조로 편입되어 있다.
본 발명의 다른 목적들, 특징들 및 이점들이 같이 첨부된 도면과 함께 상세한 설명에 나타나 있다.
도 1a 및 도 1b는 구현예 1의 정보기록매체의 구성을 보여주는 도면이다.
도 2a, 도 2b, 도 2c 및 도 2d는 구현예 1의 정보기록매체의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 구현예 2의 정보기록매체의 구성을 보여주는 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 미세 구조의 주사전자현미경의 사진을 보여주는 도면이다(4.5mW 펄스 광 출력).
도 5a 및 도 5b는 미세 구조의 주사전자현미경의 사진을 보여주는 도면이다(5.0mW 펄스 광 출력).
도 6a 및 도 6b는 미세 구조의 주사전자현미경의 사진을 보여주는 도면이다(5.5mW 펄스 광 출력).
도 7a 및 도 7b는 미세 구조의 주사전자현미경의 사진을 보여주는 도면이다(6.0mW 펄스 광 출력).
도 8a 및 도 8b는 미세 구조의 주사전자현미경의 사진을 보여주는 도면이다(6.4mW 펄스 광 출력).
도 9a 및 도 9b는 미세 구조의 주사전자현미경의 사진을 보여주는 도면이다(7.0mW 펄스 광 출력).
도 10은 펄스 광 출력과 미세 구조의 최대 지름 사이의 관계를 설명하기 위 한 도면이다.
도 11a, 도 11b, 도 11c 및 도 11d는 각각 스테이지 I, 스테이지 II, 스테이지 III 및 스테이지 IV에서의 미세 구조의 단면도이다.
도 12a 및 도 12b는 구현예 4의 광학 비반사 필름의 구성을 보여주는 도면이다.
도 13a 및 도 13b는 구현예 5의 광 도파관의 구성을 보여주는 도면이다.
도 14a 및 도 14b는 구현예 6의 광학 필터의 구성을 보여주는 도면이다.
도 15는 구현예 7의 마스터 기판의 구성을 보여주는 도면이다.
도 16a, 도 16b, 도 16c, 도 16d, 도 16e 및 도 16f는 도 15의 마스터 기판의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 17은 구현예 7의 미세 구조의 또 다른 예를 보여주는 단면도이다.
도 18a 및 도 18b는 구현예 8의 광학 비반사 필름의 구성을 보여주는 도면이다.
도 19a 및 도 19b는 구현예 9의 광학 비반사 필름의 구성을 보여주는 도면이다.
도 20은 구현예 9의 광학 비반사 필름의 또 다른 예를 보여주는 도면이다.
도 21은 구현예 10의 정보기록매체의 구성을 보여주는 도면이다.
도 22a 및 도 22b는 구현예 11의 광 도파관의 구성을 보여주는 도면이다.
도 23은 구현예 12의 광학 필터의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 24는 구현예 12의 광학 필터의 또 다른 예를 보여주는 단면도이다.
도 25a, 도 25b, 도 25c 및 도 25d는 구현예 13의 미세 구조의 주사전자현미경 사진을 보여주는 도면이다.
도 26은 펄스 광 출력과 미세구조의 외경 또는 내경의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 27a 및 도 27b는 구현예 13의 미세 구조의 또 다른 예의 주사전자현미경 사진을 보여주는 도면이다.
도 28은 구현예 13의 미세구조의 또 다른 예의 주사전자현미경 사진을 보여주는 도면이다.
도 29a, 도 29b, 도 29c 및 도 29d는 구현예 15의 미세 구조의 주사전자현미경 사진을 보여주는 도면이다.
도 30a 및 도 30b는 구현예 15의 미세 구조의 또 다른 예의 주사전자현미경 사진을 보여주는 도면이다.
도 31은 파장분할다중화통신(wavelength division multiplex communication)을 설명하기 위한 도면이다.
도 32는 구현예 17의 편광 분리 소자의 구성을 보여주는 투시도이다.
도 33a, 도 33b, 도 33c 및 도 33d는 구현예 17의 편광 분리 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 34a 및 도 34b는 구현예 17의 편광분리소자의 주사전자현미경 사진(3.5mW 펄스 광 출력)을 보여주는 도면이다.
도 35는 구현예 17의 편광분리소자의 S 편광에 대한 투과율의 파장 의존도를 보여주는 도면이다.
도 36a 및 도 36b는 구현예 17의 편광분리소자의 주사전자현미경 사진(2.5mW 펄스 광 출력)을 보여주는 도면이다.
도 37는 구현예 17의 편광분리소자의 S 편광에 대한 투과율의 파장 의존도를 보여주는 도면이다.
도 38은 구현예 18의 광학 필터의 구성을 보여주는 투시도이다.
도 39a, 도 39b, 도 39c 및 도 39d는 구현예 18의 광학 필터의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 40a 및 도 40b는 구현예 18의 광학 필터의 주사전자현미경 사진을 보여주는 도면이다.
도 41은 구현예 18의 광학 필터의 S 편광에 대한 투과율의 파장 의존성을 보여주는 도면이다.
도 42a 및 도 42b는 구현예 19의 무기 EL 소자의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 43은 구현예 20의 염료 감응형 태양 전지의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 44a 및 도 44b는 구현예 21의 비구면 광학 렌즈의 구성을 보여주는 도면이다.
도 45a 및 도 45b는 본 발명의 구현예의 광학 정보기록매체의 구성을 보여주는 도면이다.
도 46a 및 도 46b는 기록층이 레이저 빔에 의해 조사된 광학 정보기록매체 시료에 대한 주사전자현미경 사진을 보여주는 도면이다.
도 47a 및 도 47b는 본 발명의 구현예의 광학 정보기록매체의 구성을 보여주는 도면이다.
도 48a 및 도 48b는 본 발명의 구현예의 마스터 기판의 구성을 보여주는 도면이다.
도 49는 기록 피트(recording pit)가 형성된 석영 기판의 구성을 보여주는 도면이다.
도 50a 및 도 50b는 본 발명의 구현예의 광학 비반사 필름용 마스터 기판의 구성을 보여주는 도면이다.
도 51은 패턴이 형성된 석영 기판의 구성을 보여주는 도면이다.
도 52a 및 도 52b는 혼합 무기 재료로 형성된 기록층이 레이저 빔에 의해 조사된 본 발명의 구현예의 광학 정보기록매체 시료의 주사전자현미경 사진을 보여주는 도면이다.

Claims (20)

  1. 황 화합물 및 실리콘 산화물을 포함하는 미세 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미세 구조는 굴곡진 표면을 갖는 볼록 형상, 굴곡진 표면을 갖는 볼록 구조가 실린더 구조 상에 형성된 형상 및 실린더 형상 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 미세 구조.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 미세 구조는 굴곡진 표면을 갖는 형상, 굴곡진 표면을 갖는 볼록 구조가 실린더 구조 상에 형성된 형상 및 실린더 단면이 연속적으로 형성된 형상 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 미세구조.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 황 화합물은 ZnS를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 구조,
  5. 제1항에 있어서,
    상기 황 화합물을 정해진 파장을 갖는 빛에 대한 광 흡수능을 향상시키기 위하는 제1 황 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 구조.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 황 화합물은 FeS 및 GeS2 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 구조.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 미세 구조는 정해진 파장을 갖는 빛에 대한 광 흡수능을 향상시키기 위한 재료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 구조.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 정해진 파장을 갖는 빛에 대한 광 흡수능을 향상시키기 위한 재료는 Al, Ag, Au, Cu, Zn, Pt, Sb, Te, Ge, Si, Bi, Mn, W, Nb, Co, Sr,Fe, In, Sn, Ni, Mo, Mg 및 Ca 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 구조.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 미세 구조는 정해진 파장을 갖는 빛에 대한 광 흡수능을 향상시키기 위한 재료의 산화물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 구조.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 정해진 파장을 갖는 빛에 대한 광 흡수능을 향상시키기 위한 재료는 제2 황 화합물 및 아연 화합물 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 구조.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 정해진 파장을 갖는 빛에 대한 광 흡수능을 향상시키기 위한 재료는 ZnTe, ZnSe 및 MnS 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 구조.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 정해진 파장을 갖는 빛에 대한 광 흡수능을 향상시키기 위한 재료는 형광 재료을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 구조.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 형광 재료은 CdSe 또는 CdTe인 것을 특징으로 하는 미세 구조.
  14. 제5항에 있어서, 상기 실리콘 산화물의 함량 퍼센트는 10몰% 내지 30몰%인 것을 특징으로 하는 미세 구조.
  15. 기판 상에 황 화합물 및 실리콘 산화물을 함유하는 층을 형성하는 단계;
    상기 황 화합물 및 실리콘 산화물을 함유하는 층에 레이저 빔을 조사하는 단계;
    상기 레이저 빔에 의해 조사된 층을 식각하여 미세 구조를 형성하는 단계;를 포함하며,
    이때 상기 황 화합물은 정해진 파장을 갖는 빛에 대한 광 흡수능을 향상시키기 위한 제1황 화합물을 포함하거나, 또는 상기 황 화합물 및 실리콘 산화물을 함유하는 층에 광 흡수능을 향상시키기 위한 재료을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 구조 제조 방법.
  16. 기판; 및
    혼합 무기 재료로 형성되고, 상기 기판 상에 적층되는 기록층을 포함하며,
    상기 혼합 무기 재료는 황 화합물 및 실리콘 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 1회-기록 정보기록매체.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 혼합 무기 재료는 황 화합물 및 실리콘 산화물과 다르며, 금속, 반금속 및 반도체 중에서 선택되는 무기 재료를 더 포함하고,
    상기 기록층은 정해진 파장을 갖는 빛에 대한 광 흡수능이 동일한 두께의 상기 무기 재료을 함유하지 않는 기록층의 광 흡수능보다 높은 것을 특징으로 하는 1회-기록 정보기록매체.
  18. 제 16항에 있어서, 상기 1회-기록 정보기록매체는 상기 기판 상에 적층되는 유전체층 및 반사층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 1회-기록 정보기록매체.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 무기 재료는 황 화합물 및 실리콘 산화물을 구성하는 성분을 함유하는 것을 특징으로 하는 1회-기록 정보기록매체.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 무기 재료는 Al, Ag, Au, Cu, Zn, Pt, Sb, Te, Ge, Si, Bi, Mn, W, Nb, Co, Sr, Fe, In, Sn, Ni, Mo, Mg, Ca, Pb 및 Ba 중에서 선택된 적어도 하나의 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 1회-기록 정보기록매체.
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