차세대 광학소자 제작을 위한 레이저 직접 노광 공정연구 :Fabrication process in direct laser lithography for diffractive optical elements

김영광

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김영광 (과학기술연합대학원대학교, 과학기술연합대학원)

지도교수: 이혁교

발행연도: 2020

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이용수16

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2020

차세대 광학소자 제작을 위한 레이저 직접 노광 공정연구

김영광 2020.01 학위논문

2019

다중 패턴의 회절광학소자 제작을 위한 레이저 직접 노광시스템의 공정 연구

김영광 , 이혁교 , 김영식 외 1명 반도체디스플레이기술학회지 2019.01 학술저널

2015

회절광학소자 제작을 위한 레이저 직접 노광기의 공정 실험

김영광 , 이혁교 , 김영식 외 4명 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 2015.12 학술대회자료

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회절광학소자는 빛의 회절현상을 이용하여 기존의 굴절 및 반사형 광학소자에서 구현하기 어려운 광학적 성능을 구현시킬 수 있다. 최근에는 패턴을 제작하는 공정기술의 발전으로 회절광학 분야의 발전이 가속화되면서, 반도체나 디스플레이 등 다양한 분야에서 제품의 고성능화를 위해 수차를 보정하거나 복합적인 광학적 성능을 구현하기 위한 차세대 광학소자의 개발이 요구된다. 복합적인 광학성능을 구현하기 위해서는 굴절소자와 회절광학소자가 결합한 차세대 광학소자의 사용을 위해 정밀한 제작이 필요하다. 비 평면에 패턴을 제작하는 것은 수년 동안 많은 연구가 되었고, 여전히 어려움을 갖고 있다.
렌즈와 같은 곡면 위에 패턴을 제작하기 위하여 본 연구에서는 고배율의 노광렌즈와 정밀 스테이지를 이용하여 저렴한 공정비용으로 대면적에 패턴을 제작할 수 있어 다양한 회절광학소자의 제작에 용이한 레이저 직접 노광시스템으로 다양한 패턴을 제작하기 위한 공정연구를 수행하였다. 크롬 기반의 레이저 직접 노광은 레이저에서 발생하는 열에 의한 화학반응으로 패턴을 제작한다. 빠른 패턴제작을 위해 레이저의 절삭기법을 접목해 동시에 이중-선을 제작하는 새로운 공정방법을 제안하였으며, 제작 시간을 급격하게 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 또한, 제작 시 발생하는 오차 요인들을 수학적 모델링을 통해 오차에 의해 저하되는 광학적 성능을 실험과 비교 검증하였다.
곡면 위에 패턴을 제작하기 위해서는 곡면 형상 위에 노광렌즈의 초점 위치가 일정하게 유지되어야 한다. 8도의 기울어짐에도 측정이 가능한 동축 공초점 방식의 변위센서를 이용하여 표면형상을 실시간으로 측정하고 노광렌즈의 초점거리를 100 ㎜ 의 높이까지 추종할 수 있다. 제안된 시스템의 성능을 평가하고 안정적인 회절패턴 제작을 위한 공정연구를 수행한 결과, 0.3 ㎛/s의 노광속도로 8도의 기울기를 갖는 시편 위에 회절패턴을 제작할 수 있음을 확인하였다. 본 논문에서는 77.5 ㎜의 곡률반경을 갖는 실린더 렌즈와 볼록렌즈 위에 직선 타입, 원형 타입의 패턴을 제작하였고, 수학적 모델링을 기반으로 한 시뮬레이션과 회절된 이미지의 비교를 통한 광학적 검증을 수행하였다.

Diffractive Optical Elements(DOEs) can use the diffraction phenomenon of light to realize the optical performance that is difficult to implement in conventional refractive and reflective optical devices. Recently, as the development of process technology that fabricate patterns accelerates the development of diffraction optics field, development of next-generation optical devices is required to calibrate the aberrations or implement complex optical performance for the high performance of products in various fields such as semiconductor and displays. In order to realize complex optical performance, precise fabrication is required for the use of next-generation optical elements combined with refractive and diffractive optical elements. Fabrication patterns on the non-planar surface has been a lot of research for many years and still has difficulties.
In order to fabricate pattern on curved surface such as lenses, in this study conducted a process study to produce various pattern with direct laser lithographic system that is easy to fabricated for various diffractive pattern can be produced on a large area at low process cost using high magnification and precision stage. Chromium-based direct laser lithography produces a pattern by thermal-chemical reaction by the laser, To reduce the manufacturing time, the noble process method of dual-line fabrication was proposed by applying ablation technique of laser at the same time, and it was confirmed that production time can be dramatically reduced. In addition, through the mathematical modeling of the error factors that occur during manufacturing, the optical performance degraded by the error was compared with the experiments.
In order to fabricate a pattern on curved surface, the focal position of the objective lens must be kept constant on the curved surface. The coaxial confocal displacement sensor, which can measure even at an inclination of 8 degrees, can measure the surface shape in real time and the focal distance on the objective lens can be followed up to a height of 100 ㎜. As a result of evaluating the performance of the proposed system and carrying out a process study for the production of a stable diffraction pattern, it was confirmed that the diffraction pattern could be fabricated on a specimen with an 8 degrees slope at an writing speed of 0.3 ㎛/s. In this paper, linear-type and circular-type patterns were fabricated on top of cylinder lens and plano-convex lens with a curvature radius of 77.5 ㎜, and optical verification was performed by comparing simulation and diffraction images based on mathematical modeling.

Ⅰ. 서 론 1
1. 연구배경 1
2. 연구현황 3
3. 연구목표 7
Ⅱ. 레이저 노광 시스템의 구성 9
1. 장치의 구성 9
2. 제작 원리 및 노광 이론 12
Ⅲ. 평면 위의 패턴 제작 공정 15
1. 패턴 제작을 위한 공정연구 15
2. 다양한 패턴 제작 24
(1). 직선 타입의 패턴 (grating, 2D, square) 25
(2). 원형 타입의 패턴 (zoneplate, zoneplate array) 37
3. 제작 오차에 따른 광학성능 오차분석 44
4. 이중선 제작을 위한 노광법 57
Ⅳ. 경사면 / 곡면 위의 패턴 제작 공정 64
1. 자동초점시스템 소개 64
2. 시스템 개선 및 패턴 제작 72
3. 광학적 성능평가 81
Ⅴ. 결 론 84
참고문헌 86

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