JP2005181961A

JP2005181961A - マイクロレンズ製造方法

Info

Publication number: JP2005181961A
Application number: JP2004109862A
Authority: JP
Inventors: Jong Sam Kim; 鍾三金; Jin Ha Kim; 鎭夏金; Sung Jun Lee; 成俊李; Ro Woon Lee; 勞 ▲雲▼ 李; Yoon Shik Hong; 允植洪
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2003-12-20
Filing date: 2004-04-02
Publication date: 2005-07-07
Also published as: KR20050062289A; US20050133478A1

Abstract

【課題】多層のウェーハ基板を通してマイクロ非球面レンズを製造する。
【解決手段】本発明は所定のエッチング率を有する第1層を形成する段階と、前記第1層上に第1層とエッチング率の異なる第2層を形成する段階と、前記第2層上にエッチングのためのマスクパターンを形成する段階と、エッチング率の相異する第1層と第2層をエッチングして非球面のレンズ形状を形成する段階と、を含むマイクロレンズ製造方法を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明はマイクロレンズ製造方法に関するもので、より詳しくは多層のウェーハ基板を通してマイクロ非球面レンズを製造するマイクロレンズ製造方法に関するものである。

マイクロレンズは光ピックアップ、画像センサモジュール、カメラ、スキャナなど諸分野において幅広く用いられている。とりわけ、最近は光学製品の小型化、集積化、高性能化に伴ってより小型且つ精密なマイクロレンズの開発が加速化されてきている。

レンズサイズがマイクロメートルレベルまで小型化するにつれて精密機械加工によるレンズ作製は不可能となる。したがって、最近はレーザーを利用したレンズ加工により精密レンズ加工を行ったりもするが、これは処理量(throughput)が少なく製造コストが高い欠点がある。

したがって、精密加工と生産性の面を満足させるべくマイクロレンズ作製において半導体工程技術を応用したマイクロ電子機械システム(Micro Electro-Mechanical System、以下MEMS)技術を利用する方法に関する研究が進んでいる。MEMS技術を利用したマイクロレンズ製造は精密加工を可能にさせ量産化に一層有利な点がある。

かかるMEMS技術を利用した従来のマイクロレンズ製造工程を図４に示した。MEMS技術を利用した従来のマイクロレンズ製造工程は下記のような段階で行われる。

先ず、図４(a)のようにレンズ形状を形成しようとする基板(100)上にフォトマスク(110)を塗布する。マスク(110)はエッチングしようとする部位を除いた全体面に均一に塗布しなければならない。その後、等方性エッチング(Isotropic etching)により基板(100)をエッチングする。等方性でエッチングすると図４(b)のように窪んだ半球形の形態ができる。

凹部(120)が形成されたら、マスク(110)を除去する（図４(c)）。マスクを除去した基板(100)は凹レンズとして使用できるようになる。また、前記基板(100)を金型としてモールドを充填し半径Rの球面を有する凸レンズ(150)を製造することもできる（図４(d)）。

図４において、従来のMEMS技術を利用したマイクロレンズ製造方法を紹介した。しかし、前記方法は球面レンズの場合に適用できるが、非球面レンズの作製は不可である。

球面レンズは、図５(a)に示したように、一定の曲率を有する半球形状を有する。球面レンズは球面収差を生じさせる。レンズや球面鏡などにおいて物体の像を形成する際、完全に物体の形状を再現できないが、これは球面収差のためである。球面収差は光軸上の一点から発する光線束からできる像点がその光線束がレンズのどの部分を通ったかにより異なる為発生する収差のことをいう。

球面収差はイメージの焦点を曇らせ像が歪曲して見える問題を引き起こす。これを解決すべく非球面レンズが用いられる。

非球面レンズは図５(b)に示すが、曲率半径が一定な球面レンズに比して周辺部に行くほど曲率半径が大きくなるレンズのことをいうもので、球面レンズにあった像の歪みが減少する。即ち、非球面レンズで成る時計は時計の如何なる箇所を見ても自然な形に見える。球面レンズの場合球面収差を無くすためにはレンズの半径を調整したり、複数個のレンズを組み合わせなければならない。しかし、非球面レンズは平行光線を大変精密に一箇所に集められるので一個だけでも複数個の球面レンズを使用する場合と同様な性能が発揮でき、光学部品の軽量化及び小型化を可能にする。

したがって、従来のMEMS技術を利用したマイクロレンズ製造方法ではこうした非球面レンズが製造できないとの問題があった。さらに超小型の非球面レンズ作製が極めて難しいとの問題もあった。

本発明は前記のような問題を解決するためのもので、マイクロレンズの作製においてより薄い厚さで曲率を自在に制御できるようにし超小型の非球面レンズを作製できる製造方法を提供することに目的がある。

前記のような目的を成し遂げるための構成手段として、本発明は所定のエッチング率を有する第1層を形成する段階と、前記第1層上に第1層とエッチング率の異なる第2層を形成する段階と、前記第2層上にエッチングのためのマスクパターンを形成する段階と、エッチング率が相異する第1層と第2層をエッチングして非球面のレンズ形状を形成する段階と、を含むマイクロレンズ製造方法を提供する。

好ましくは、前記第1層及び第2層のエッチングは等方性エッチングであることを特徴とする。また、前記第1層のエッチング率は前記第2層のエッチング率より少ないことが好ましい。この際、前記第2層は第1層に比して水平方向へのエッチング速度が速いことを特徴とする。

好ましくは、前記製造方法は前記第1層形成段階後に、熱処理を通して前記第1層のエッチング率を減少させる段階をさらに含むことを特徴とする。さらに、前記第1層及び第2層はポリマー、シリカ、シリコン、金属材質から成るグループから選択されることを特徴とする。

好ましくは、第1層の不純物のドーピング濃度が第2層の不純物のドーピング濃度より高くなるよう形成することを特徴とする。この際、前記第1層及び第2層はシリカ(silica)材質から成ることを特徴とする。

好ましくは、前記第2層は前記第1層の上部面に蒸着形成されることができる。さらに好ましくは、前記第1層と第2層にレンズ形状を加工した後、これを成形のための金型として成形物質を充填しレンズを製造する段階をさらに含むことを特徴とする。

さらに、本発明は各層間のエッチング率が異なるよう少なくとも2個の層を形成する段階と、前記少なくとも2個の層の上部面にエッチングのためのマスクパターンを形成する段階と、エッチング率の相異する前記少なくとも2個の層をエッチングして非球面のレンズ形状を形成する段階と、を含むマイクロレンズ製造方法を提供する。

好ましくは、前記少なくとも2個の層は等方性でエッチングすることを特徴とする。さらに好ましくは、前記少なくとも2個の層のエッチング率は上部に行くほど高くなることを特徴とする。この際、前記少なくとも2個の層中いずれか一つの第1層の水平方向エッチング速度は前記第1層の下部に位置する第2層に比して速いことを特徴とする。

好ましくは、前記少なくとも2個の層中いずれか一つの層を形成する度に全体層の熱処理を行って既形成した層のエッチング率を減少させることを特徴とする。この際、前記少なくとも2個の層はポリマー、シリカ、シリコン、金属材質から成るグループから選択されることを特徴とする。

さらに好ましくは、いずれか一つの第1層の不純物のドーピング濃度がその上部に形成される第2層の不純物のドーピング濃度より高いよう形成することを特徴とする。この際、前記少なくとも2個の層はシリカ(silica)材質から成ることが好ましい。

さらに好ましくは、前記少なくとも2個の層中いずれか一つの層はその下部に位置する他層の上部面に蒸着形成されることを特徴とする。さらに前記少なくとも2個の層にレンズ形状を加工した後、これを成形のための金型として成形物質を充填しレンズを製造する段階をさらに含むことを特徴とする。

以上のように本発明によると、マイクロレンズの作製においてレンズ作製のための基板構造物を多層に形成しより薄い厚さを有しても曲率を自由に制御できるようにした超小型非球面レンズを作製できる製造方法を提供する効果を奏する。

さらに、本発明は多層の基板構造物のエッチング率を相異するよう形成する方法を提示しており、これにより非球面レンズ形状をより精密に制御できる効果を奏する。

以下、本発明の好ましき実施例に対して添付の図を参照しながらより詳しく説明する。図１は本発明によるマイクロレンズ製造段階を示した図である。本発明によるマイクロレンズ製造方法はエッチングされレンズを形成する基板層を少なくとも2個の層から形成することを特徴とする。

以下に図１を参照しながら第1層と第2層とで成る基板層によりマイクロレンズを製造する方法を説明する。

先ず、所定のエッチング率を有する第1層(10)を形成する(図１(a))。第1層(10)はポリマー、シリカ、シリコンなどの材料で形成することができ、また以降成形のための金型の機能をする場合には前記第1層は金属で形成することができる。

第1層(10)の上部に第2層(20)を形成する(図１(b))。第2層(20)もやはり第1層のように、ポリマー、シリカ、シリコンまたは金属の材料から成ることができる。この際、第2層のエッチング率は第1層のエッチング率と異なるよう形成されなければならない。

第2層は第1層上に蒸着形成され、本発明においてはレンズ面の曲率を自在に制御して形成できるよう基板層のエッチング率を互いに異ならせてエッチングする。好ましくは、第1層(10)のエッチング率が第2層(20)のエッチング率より低いよう形成することができる。
第2層(20)を形成した後、第2層の上部面にエッチングのためのマスクパターン(30)を形成する。

図１は第1層(10)のエッチング率が第2層(20)のエッチング率より低い場合のレンズ製造工程を示した図である。図１(b)は第2層(20)が垂直方向にエッチングされた場合の形状で、ここでは未だ等方性エッチングによる球面レンズの形態を有する。

しかし、エッチングがさらに進み第1層(10)がエッチングされ始めると非球面レンズの形状を示すようになる。即ち、第2層(20)がエッチングされ第1層(10)が露出し、第1層(10)のエッチング率が第2層より低いので垂直方向のエッチング速度は減少することになり、水平方向へのエッチングは垂直方向のエッチングに比して速く進む。したがって、図３のような非球面レンズができるようになる。

前記のような製造工程中第1層と第2層のエッチング率を異ならせて形成する方法には下記のように熱処理を行う方法と不純物のドーピング濃度を調節する方法とがある。

先ず、エッチング率の差を有する第1層及び第2層を形成すべく、熱処理を施した膜がエッチング率減少を示す現象を利用し製造工程中各層が形成される前に熱処理を行う。

第1層のエッチング率を第2層のエッチング率より低く形成するためには、第1層(10)を形成し、基板を熱処理して第1層のエッチング率を低下させる工程段階を施すことが好ましい。その後、第2層(20)を第1層(10)の上部に形成する。こうした方法を用いれば第1層(10)と第2層(20)とでエッチング率が相異するよう形成することができる。

熱処理は窒素、酸素、真空及び大気中のような雰囲気において施すが、一般に蒸着温度より高い温度において行う。一般のPECVD 酸素（Oxide）の場合には500℃以下で蒸着するが、この際形成された酸化膜を成す各元素らは構造的及び化学的に安定した位置に存在しないことがある。こうして化学的侵害に影響を及ぼされやすくなる。したがって500〜1000℃程において熱処理を施すと酸化膜が構造的・化学的により安定するのでエッチング率を減少させることができる。具体的な熱処理装置には加熱炉（Furnace）、高速熱アニール(Rapid Thermal Annealing; RTA)などの方法を用いることができる。

このような熱処理工程によりエッチング率の差を1〜10倍まで生じさせることができる。

前記熱処理を介して第1層と第2層のエッチング率を異ならせる製造方法の他にも、不純物のドーピング濃度を調整することによりエッチング率を異ならせることができる。ドーピング(doping)とは不純物を半導体に添加することをいう。

不純物のドーピング濃度を調節するのは、例えば基板を光が通過するシリカ(Silica)系材料を使用する場合用いることができる。シリカ材料の場合、ドーピングしなければ安定したシリカ状態で存在するが、ドーピングするとシリカ結合に各種欠陥が発生しこれにより結合力が減少して一層エッチングが容易に進む。したがって、一般にドーピング濃度を増加させるほどエッチング率が増加するようになる。

ドーピング濃度を調節するためにその場(In-situ; インシツ)で所望のドーピング物質をガス形態で流し込み蒸着する方法がある。また、表面にドーピング物質を予め堆積(pre-deposition; プリデポジション)してから拡散(Diffusion; ディフュージョン)させ、膜内部に流し込む方法などがある。
このようにエッチング率が相異するよう形成された第1層及び第2層のエッチングは等方性で行われる。即ち、左右対称のエッチング形態となり、こうした等方性エッチングは通常ウェットエッチング(Wet Etching)で行われるが、ドライエッチング(Dry Etching)によることもできる。

前記のように第1層と第2層にレンズ形状を加工した後、これを直接凹レンズに使用でき、またはレンズ形状が加工された基板を金型として、これに成形物質を充填し凸レンズを製造することもできる。

図１に、第1層及び第2層を形成し、これをエッチングして非球面レンズを製造する工程を説示したが、本発明の方法によれば、図２のように多層の構造を有する基板をエッチングしてより精密な非球面レンズを製造することもできる。図２は本発明によるマイクロレンズ製造段階の異なる実施例である。

図２の実施例においては、基板層が相互エッチング率の異なった多数個の層(40a、40b、…、40n)から成る。図２(a)のように、エッチング率の異なる複数個の層が形成された基板構造物を形成する。最上部層(40a)の上部面にはエッチングのためのマスクパターン(30)を形成する。

その後、多層から成る基板構造物をエッチングして非球面のレンズ形状を形成する。このように非球面レンズを形成すると、これを凹レンズに用いることができる。しかし、非球面レンズ形状が形成された基板構造物を金型として成形物質を金型に充填し凸レンズを製造することもできる。したがって、基板構造物にはシリカ、シリコン、ポリマーなどの光透過性材質の他にも金属などの材質を使用することもできる。
本実施例において各層同士のエッチング率を異ならせるよう形成する方法は前記図１の実施例のように夫々の層を形成する度に熱処理を行い、熱処理によるエッチング率低下を起こさせる方法から成し遂げることができる。即ち、エッチング率が上部層に行くほど高くなる図２の実施例において、最下層を形成して熱処理を施した後、再びその上に他の層を形成し全体基板を熱処理する。こうした方式により最上部層まで形成すると最下層は熱処理回数が他層と異なってくる。したがって上部層に行くほどエッチング率が高くなる結果が得られる。
また、各層同士の不純物のドーピング濃度を異ならせて成し遂げることができる。蒸着する際、ドーピングしようとするソースガス(Source Gas)の流量を変化させるとドーピング濃度が異なるよう形成されることができる。そして、酸化膜表面にドーピング物質を予め堆積(Pre-deposition; プリディポジション)してから拡散 (Diffusion; ディフュージョン)させてもドーピング濃度の勾配を生じさせることができる。

シリカなどの蒸着過程において垂直方向への不純物の濃度勾配を成するようIn-Situ蒸着する場合、より緩やかな形態のレンズ作製が可能になる。即ち、インシツで蒸着する際ドーピングしようとするソースガスの流量を漸次に変化させると、初期に蒸着された薄膜内のドーピング濃度と後で蒸着された薄膜のドーピング濃度とを連続的に変化させることができる。

図３は本発明によるマイクロレンズ製造方法により形成されるレンズと従来の製造方法により形成されるレンズの形状を比較した図である。

図３において、右側のレンズ形状は半径Rを有する従来の球面レンズを示した図である。前記球面レンズは従来のMEMS技術を用いる製造方法により製造されたものである。

本発明はMEMS技術を利用して非球面レンズを製造できる方法を提示しており、その製造された非球面レンズの形状を図３の左側に示してある。右側の球面レンズと比較すると、本発明の製造方法により形成されるレンズ形状は非球面であることを確認できる。
本発明は特定の実施例に係り図示、説明したが、添付の特許請求範囲により具備される本発明の要旨や分野を外れない限度内で本発明が多様に改造及び変化され得ることは当業界において通常の知識を有する者であれば容易に想到することを明かしておく。

本発明によるマイクロレンズ製造段階を示した図である。本発明によるマイクロレンズ製造段階の異なる実施例である。本発明によるマイクロレンズ製造方法で形成されるレンズと従来の製造方法で形成されるレンズの形状を比較した図である。 MEMS技術を用いる従来のマイクロレンズ製造工程を段階別に示した図である。 (a)は球面レンズを示した図で、(b)は非球面レンズを示した図である。

符号の説明

10 第1層
20 第2層
30 マスクパターン

Claims

所定のエッチング率を有する第1層を形成する段階と、
前記第1層上に第1層とエッチング率の異なる第2層を形成する段階と、
前記第2層上にエッチングのためのマスクパターンを形成する段階と、
エッチング率の相異する第1層と第2層をエッチングして非球面のレンズ形状を形成する段階と、
を含むマイクロレンズ製造方法。
前記第1層及び第2層のエッチングは等方性エッチングであることを特徴とする請求項1に記載のマイクロレンズ製造方法。
前記第1層のエッチング率は前記第2層のエッチング率より低いことを特徴とする請求項1に記載のマイクロレンズ製造方法。
前記第2層は第1層に比して水平方向へのエッチング速度が速いことを特徴とする請求項3に記載のマイクロレンズ製造方法。
前記第1層の形成段階後に、熱処理を介して前記第1層のエッチング率を減少させる段階をさらに含むことを特徴とする請求項4に記載のマイクロレンズ製造方法。
前記第1層及び第2層はポリマー、シリカ、シリコン、金属材質から成るグループから選択されることを特徴とする請求項5に記載のマイクロレンズ製造方法。
第1層の不純物のドーピング濃度が第2層の不純物のドーピング濃度より高いよう形成することを特徴とする請求項4に記載のマイクロレンズ製造方法。
前記第1層及び第2層はシリカ(silica)材質から成ることを特徴とする請求項7に記載のマイクロレンズ製造方法。
前記第2層は前記第1層の上部面に蒸着形成されることを特徴とする請求項1に記載のマイクロレンズ製造方法。
前記第1層と第2層にレンズ形状を加工した後、これを成形のための金型として成形物質を充填しレンズを製造する段階をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のマイクロレンズ製造方法。
各層同士のエッチング率が異なるよう少なくとも2個の層を形成する段階と、
前記少なくとも2個の層の上部面にエッチングのためのマスクパターンを形成する段階と、
エッチング率の相異する前記少なくとも2個の層をエッチングして非球面のレンズ形状を形成する段階と、
を含むマイクロレンズ製造方法。
前記少なくとも2個の層は等方性でエッチングされることを特徴とする請求項11に記載のマイクロレンズ製造方法。
前記少なくとも2個の層のエッチング率は上部に行くほど高くなることを特徴とする請求項11に記載のマイクロレンズ製造方法。
前記少なくとも2個の層中いずれか一つの第1層の水平方向へのエッチング速度は前記第1層の下部に位置する第2層に比して速いことを特徴とする請求項13に記載のマイクロレンズ製造方法。
前記少なくとも2個の層中いずれか一つの層を形成する度に全体層の熱処理を施して既形成された層のエッチング率を減少させるようにすることを特徴とする請求項14に記載のマイクロレンズ製造方法。
前記少なくとも2個の層はポリマー、シリカ、シリコン、金属材質から成るグループから選択されることを特徴とする請求項15に記載のマイクロレンズ製造方法。
いずれか一つの第1層の不純物のドーピング濃度がその上部に形成される第2層の不純物のドーピング濃度より高いよう形成することを特徴とする請求項14に記載のマイクロレンズ製造方法。
前記少なくとも2個の層はシリカ(silica)材質から成ることを特徴とする請求項17に記載のマイクロレンズ製造方法。
前記少なくとも2個の層中いずれか一つの層はその下部に位置する他層の上部面に蒸着形成されることを特徴とする請求項11に記載のマイクロレンズ製造方法。
前記少なくとも2個の層にレンズ形状を加工した後、これを成形のための金型として成形物質を充填しレンズを製造する段階をさらに含むことを特徴とする請求項11に記載のマイクロレンズ製造方法。