KR100321134B1 - 마이크로렌즈 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 X-선 사진식각(X-ray lithography)기술을 이용한 마이크로렌즈 제조방법을 개시한다.
본 발명은 기판 위에 PMMA 또는 감광막을 일정 두께로 형성시키는 단계와, X-선 마스크와 기판을 정렬하는 단계와, X-선 마스크를 이용해 기판을 노광하고 현상액을 이용하여 노광된 PMMA 또는 감광막을 제거하여 단계와, X-선 마스크와 기판의 회전축을 정렬하는 단계와, X-선 마스크는 고정하고 기판은 회전하면서 노광하여 X-선 마스크의 흡수체 형상 및 회전축의 위치에 따라 기하학적 형상으로 노광하는 단계와, 현상액을 이용하여 노광된 PMMA 또는 감광막을 제거하여 기하학적 형상으로 현상하는 단계로 이루어져 기존의 기계가공방법이나 UV 사진식각공정으로 제작하기 어려운 고정밀의 마이크로렌즈를 손쉽게 제작할 수 있으며, 사출성형용 금형을 제작할 수 있어 마이크로렌즈의 대량 생산에 유리하다.

Description

마이크로렌즈 제조방법 및 마이크로렌즈 사출용 금형 제조방법 {METHOD FOR MANUFACTURING OF MICROLENS AND INJECTION MOLD OF MICROLENS}
본 발명은 방사광 가속기의 싱크로트론 방사광(synchrotron radiation)을 이용하는 X-선 사진식각(X-ray lithography) 기술을 이용한 마이크로렌즈 제조방법 및 마이크로렌즈를 사출성형 할 수 있는 사출용 금형 제조방법에 관한 것으로, X-선 마스크의 흡수체 형상 및 기판 회전 기법을 이용하여 구형 렌즈 뿐만 아니라 반구형 렌즈, 볼 렌즈, 비구면 렌즈, 원통형 렌즈, 계란형 렌즈 등 다양한 종류의 마이크로렌즈 및 기타 여러가지 복잡한 기하학적 형태의 구조물을 손쉽게 제작할 수 있는 제조방법에 관한 것이다.
종래기술에 따르면, 정교하게 기계가공된 금형(die)을 이용하여 마이크로렌즈 어레이(microlens array)를 사출성형하여 제작하는 방법이 J.N.Ozerov et al.,'Shaping the Contours of Dies for Manufacturing Lens Arrays Having Spherical Elements,' Soviet Journal of Optical Technology(U.S.A), Vol.48, No.1, Jan. 1981, pp. 49-50에 개시되어 있다.
한편, 양자교환방법을 이용하여 굴절률의 변화를 준 플래너 어레이(planar array) 형태의 마이크로렌즈(microlens) 제작 기법이 Oikawa, M. et al., 'Array of Distributed-Index Planar Micro-Lenses Prepared from Ion Exchange Technique,' Japanese Journal of Applied Physics, Vol.20, No.4, April 1981, pp. L296-8.에 개시되어 있다.
다른 한편, 자외선(UV) 사진식각공정을 이용한 포토 레지스트(PR) 패터닝 및 용융(melting) 기법에 의한 마이크로렌즈 어레이(microlens array) 제작 기법이 Y. Ishihara et al., 'A high Photosensitivity IL-CCD Image Sensor with Monolithic Resin Lens Array,' International Electron Devices Meeting, 1983, pp. 497-500.에 개시되어 있다.
또 다른 한편, IMM process - X-선 사진식각공정 이용한 PMMA 패터닝 및 용융 공정(patterning & melting process)으로 마이크로렌즈 어레이를 제조하는 기법이 도 1에 도시되어 있다.
도 1은 종래기술에 따른 X-선 사진식각공정을 이용하여 반원구형의 렌즈를 제작하는 공정도이다.
도시된 바와 같이, 기판(1) 위에 PMMA 또는 감광막(2)을 도포하고 X-선 마스크(3)를 이용한 노광/현상공정으로 먼저 원통형의 패턴(2a)을 만든다. 다음 필터멤브레인(4 ; filter membrane)을 이용하여 전체적으로 X-ray를 쪼여준다. 그런 다음 노광시편을 어떤 일정한 온도로 열처리를 하여 원통형의 PMMA를 녹인후 냉각시키면 도시된 바와 같은 반구형의 렌즈(2b)가 제작된다. 렌즈의 직경은 열처리전의 원통의 지름에 의해 결정되며, 렌즈의 높이는 열처리전의 원통의 직경, 높이 및 열처리 온도로 조절된다.
그런데 이와 같은 종래기술에 따른 마이크로렌즈 어레이 제조방법은 다음과 같은 문제점이 따른다.
첫째, 정밀기계가공법 및 용융 기법을 이용한 기술은 기계가공의 어려움이 있을 뿐만 아니라 렌즈의 형태를 반원통형(semi-cylindrical) 또는 반구형(semi-spherical) 렌즈 형상 밖에 구현할 수 없는 단점이 있었다. 즉, 볼 형상 렌즈(Ball type lens)의 제작이 불가능하고, 비구면 렌즈를 제작하기 어려웠다.
둘째, 용융 기법을 이용한 종래기술은 마이크로렌즈의 형상(shape) 및 원하는 광특성을 얻기 위해서는 온도조절, 용융시 PR의 플로우(flow) 조절 등이 정교하게 이루어져야 하는데 재현성 있는 열 공정 조절이 어려운 공정(Process) 상의 단점이 있었다. 또한, 두꺼운 PR을 형성하기 어려워 큰 사이즈의 렌즈 제작이 어려운 공정상의 어려움이 있었다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 종래의 단점을 해결하기 위한 목적으로 방사광 가속기의 싱크로트론 방사광(synchrotron radiation)을 이용하는 X-선 사진식각(X-ray lithography)기술과 X-선 마스크는 고정하고 기판은 회전하면서 노광하여 X-선 마스크의 흡수체 형상 및 회전축의 위치에 따라 여러가지 형태를 가진 고정밀의 마이크로렌즈를 손쉽게 제작할 수 있는 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 X-선 사진식각(X-ray lithography)기술을 이용한 마이크로렌즈 제조방법에 있어서, 기판 위에 PMMA 또는 감광막을 일정 두께로 형성시키는 단계와, X-선 마스크와 기판을 정렬하는 단계와, X-선 마스크를 이용해 기판을 노광하고 현상액을 이용하여 노광된 PMMA 또는 감광막을 제거하여 단계와, X-선 마스크와 기판의 회전축을 정렬하는 단계와, X-선 마스크는 고정하고 기판은 회전하면서 노광하여 X-선 마스크의 흡수체 형상 및 회전축의 위치에 따라 기하학적 형상으로 노광하는 단계와, 현상액을 이용하여 노광된 PMMA 또는 감광막을 제거하여 기하학적 형상으로 현상하는 단계를 포함하는 마이크로렌즈 제조방법을 제공한다.
본 발명의 상기 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 아래에 기술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
도 1은 종래의 X-선 노광공정 및 현상, 열처리에 의한 마이크로렌즈 제조공정도,
도 2a∼2h는 본 발명에 따른 X-선 사진식각공정을 이용한 마이크로렌즈의 제조공정도,
도 3a∼3b는 본 발명에 따른 마이크로렌즈 제작시 발생되는 문제점을 도시한 공정도,
도 5a∼5b는 본 발명에 의한 기판 위에 볼(Ball) 렌즈를 형성하는 방법을 도시한 제조공정도,
도 6a∼6b는 본 발명에 의한 기판 위에 비구면 렌즈를 형성하기 위한 방법을 도시한 제조공정도,
도 7은 본 발명에 의한 기판 위에 원통형 렌즈를 형성하기 위한 방법을 도시한 제조공정도,
도 8은 본 발명에 의한 기판 위에 계란형 렌즈를 형성하기 위한 방법을 도시한 제조공정도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 노광시편 11 : 기판
12 : PMMA 13 : 정렬마크
20 : X-선 마스크 21 : 흡수체
22 : 멤브레인 23 : 정렬마크
30 : 회전축 40 : 마이크로렌즈
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세하게 설명한다.
도 2a∼2h는 본 발명의 일실시예에 따른 X-선 사진식각공정을 이용한 반구형 마이크로렌즈의 제조공정도이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 기판(11)위에 PMMA(12) 또는 X-선에 반응할 수 있는 일정 두께의 감광막을 형성시켜 노광시편(10)을 준비한다. 이 때 기판(11)은 Si 기판 및 금속기판, 또는 빛을 잘 투과시킬 수 있는 유리기판과 같은 재질을 사용할 수 있다. 기판(11)위에는 정해진 위치에 렌즈를 형성시키기 위해 정렬마크(13 ; alignment mark)를 형성시킨다.
도 2b는 마이크로렌즈 제작시 사용되는 X-선 마스크이다. X-선 마스크(20)는 제작하고자 하는 렌즈의 모양(곡률 R)의 X-선 흡수체(21)와 X-선을 잘 투과시킬 수 있는 멤브레인(22 ; membrane)으로 구성되어 있으며, 기판(11)과의 정렬을 위한 정렬마크(23)가 형성되어 있다.
도 2c는 X-선 노광전의 정렬단계로서 먼저 노광시편(10)의 정렬마크(13)와 기판(11)을 정렬한다.
도 2d는 노광공정이다. 이때 시편(10)은 회전시키지 않고 노광하므로 도 2c에서 노광시편(10)과 회전축과의 정렬은 필요치 않다. 그 다음 공정으로 노광시편(10)을 현상하면 도 2e처럼 원기둥형의 패턴(12a)이 형성된다.
도 2f는 노광시편(10)과 회전축(30)의 정렬단계로서, 먼저 노광시편(10)의 정렬마크(13)와 회전축(30)을 정렬한 후 X-선 마스크(20)와 기판(11)을 정렬한다. 본 발명에 의한 마이크로렌즈 제작공정은 X-선 노광시 기판(11)을 회전시키면서 노광을 하게 되므로 기판(11)과 회전축(30)과의 정렬, X-선 마스크(20)와 기판(11)간의 정렬이 정밀하게 이루어지지 않으면 제작될 마이크로렌즈의 형태가 본래 의도했던 모양(도 2에서는 구형)이 되지 못한다. 그러므로 이 정렬단계는 마이크로 렌즈의 정밀도를 크게 좌우한다고 볼 수 있다.
도 2g는 X-선 노광공정도이다. 노광공정에서 X-선 마스크(20)는 그대로 고정하고, 노광시편(10)을 좌우(-90°∼+90°)로 회전시키면서 노광한다. 그러면 X-선 마스크(20)의 원형의 흡수체(21) 패턴부분은 X-선이 잘 투과하지 못하므로 기판(11)위의 PMMA(12)는 구형태의 비노광부와 그 이외의 노광부가 형성된다.
이어서, 도 2h에 도시된 바와 같이 PMMA(12)는 X-선이 조사된 부분과 조사되지 않은 부분의 현상액에서의 형상속도 차이를 이용하여 패턴이 형성되는 현상공정을 거치게 된다. 현상후에는 PMMA(12)의 노광된 부위가 완전히 제거되며 비노광부인 PMMA(12)만 남게되어 도시된 바와 같이 반구(semi-spherical) 형태의 마이크로렌즈(40)가 기판(11)위에 정렬되어 형성된다. 또한 회전축(30)상에 복수개의 마이크로 렌즈(40)를 형성시킬 수 있음을 알 수 있다.
도 3a∼3b는 본 발명에 따른 마이크로렌즈 제작시 원기둥형의 패턴을 형성하는 도 2d의 공정을 생략하고, 바로 노광시편(10)을 회전시키면서 노광하는 도 2g의 공정을 진행했을 때 발생되는 문제점을 도시한 공정도이다.
도 3a는 노광시 노광시편(10)이 X-선 마스크(20)와 평행일 때인데 도면에서 X-선이 투과해야 하는 PMMA(12)의 깊이는 h1이다. h1은 노광시편(10)의 두께이므로 제작하고자 하는 마이크로렌즈의 크기보다 약간 두꺼운 정도로 준비된다. 그러므로 h1은 비교적 작은 값이다. 한편 도 3b와 같이 90도 회전시켰을 때 X-선이 투과해야 하는 깊이는 h2인데, 이것은 기판(11)에 붙어 있는 PMMA(12)의 넓이 방향의 길이이다. 시편(10)준비단계에서 기판(11)위에 붙여놓은 PMMA(12)의 넓이 방향의 길이는 수㎜~수㎝ 정도이다. 따라서 h2는 상당히 큰 값이다. 이에 따라 도 3b의 노광공정에서는 X-선이 투과해야하는 PMMA(12)의 두께가 굉장히 길어지므로 이 두께를 완전히 노광하는데 소모되는 시간도 상당히 증가할뿐더러 너무 깊이가 깊을 경우 노광 자체가 불가능할 수도 있다.
따라서, 이와 같은 문제가 발생되지 않도록 먼저 PMMA(12)를 원기둥형상으로 패터닝 한 후 도 2g처럼 노광시편(10)을 회전시키면서 노광하는 것이 바람직하다. 즉, 이미 원기둥형상으로 현상한 후이므로 노광시편(10)을 회전시키더라도 X-선 투과해야 하는 PMMA(12)의 깊이는 깊지 않아 노광공정이 원할히 될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 기판(11) 위에 마이크로 볼렌즈(Ball lens)를 형성시키기 위한 방법이다. 도 5에 의한 방법이 도 2와 다른 점은 회전축(30)이 기판(11)위에 있는 것이 아니라 기판(11) 위로 약간 이동된 위치(도 5a에서 기판(11) 위로 h1 만큼 떨어진 지점)에 있다는 점이다. 이처럼 회전축(30)을 기판(11)보다 높게 잡고 시편(10)을 회전시키면서 노광을 하면 기판(11) 위에 아랫면이 약간 짤린 볼렌즈(40a)를 제작할 수 있다.
도 6a 내지 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따라 기판(11) 위에 비구면 렌즈(aspheric lens)를 제작하기 위한 공정도이다. 도 6a는 기판(11) 위에 세워져있는 비구면 렌즈(40b)를 제작하기 위한 공정도로서, 기판(11) 위로 h1 만큼 떨어진 지점에 회전축(30)이 설정되며, 이 때 X-선 마스크(20)의 흡수체(21) 패턴은 기판(11) 회전축(30)에 직교하는 방향으로 형성되어 있도록 하면 된다. 도 6b는 기판(11)위에 누워있는 비구면 렌즈(40c))를 제작하기 위한 공정도이다. 도 6a와 다른 점은 시편(10)이 X-선 마스크(20)와 수직한 상태에서 360。 회전시키면서 노광된다는 점이다. 이렇게 하면 도 6b와 같은 비구면 렌즈(40c)가 제작된다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따라 반원통형 렌즈를 제작하기 위한 X-선 마스크(20)의 패턴과, 제조방법 그리고 제작된 마이크로렌즈의 형상이다. X-선 마스크(20)의 흡수체(21)를 사각 형상으로 패터닝하여 기판(11)을 회전시키면서 노광한다. 제작되는 마이크로렌즈(40d)의 반경은 X-선 마스크에 형성된 흡수체(21) 패턴의 폭(D)의 1/2이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따라 계란형 렌즈를 제작하기 위한 X-선 마스크(20)의 패턴과, 제조방법 그리고 제작된 마이크로렌즈의 형상이다. 즉, X-선 마스크(20)에 타원형태의 흡수체(21) 패턴을 이용하여 계란모양의 마이크로렌즈(40e)를 제작할 수 있다.
이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 일실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시키지 않고 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있음을 인지해야 한다.
본 발명에 따르면, X-선 사진식각공정 및 기판회전 기법을 이용하여 기존의 기계가공방법이나 UV 사진식각공정으로 제작하기 어려운 고정밀의 마이크로 렌즈를 손쉽게 제작할 수 있다. 즉, 본 발명에 의해 반구형 렌즈, 볼 렌즈, 비구면 렌즈, 원통형 렌즈, 계란형 렌즈 등 다양한 종류의 마이크로 렌즈 및 기타 여러가지 복잡한 기하학적 형태의 구조물을 손쉽게 제작할 수 있다.

Claims (7)

  1. X-선 사진식각(X-ray lithography)기술을 이용한 마이크로렌즈 제조방법에 있어서,
    기판 위에 PMMA 또는 감광막을 일정 두께로 형성시키는 단계와;
    X-선 마스크와 상기 기판을 정렬하는 단계와;
    상기 X-선 마스크를 이용해 상기 기판을 노광하고 현상액을 이용하여 노광된 PMMA 또는 감광막을 제거하여 단계와;
    상기 X-선 마스크와 상기 기판의 회전축을 정렬하는 단계와;
    상기 X-선 마스크는 고정하고 상기 기판은 회전하면서 노광하여 상기 X-선 마스크의 흡수체 형상 및 회전축의 위치에 따라 기하학적 형상으로 노광하는 단계와;
    현상액을 이용하여 노광된 PMMA 또는 감광막을 제거하여 기하학적 형상으로 현상하는 단계를 포함하는 마이크로렌즈 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 기판의 회전축이 기판 위로 h1 만큼 떨어진 지점에 형성되어 볼렌즈(Ball lens) 형상의 마이크로렌즈를 형성할 수 있는 마이크로렌즈 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 기판 위로 h1 만큼 떨어진 지점에 회전축이 설정되며, 비구면 형상의 흡수체를 구비한 상기 X-선 마스크의 패턴이 상기 기판 회전축에 직교하는 방향으로 놓인 상태로 노광하여 상기 기판 위에 세워진 비구면렌즈(aspheric lens)를 형성할 수 있는 마이크로렌즈 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 기판이 비구면 형상의 흡수체를 구비한 상기 X-선 마스크와 수직한 상태에서 360。 회전시키면서 노광하여 상기 기판 위에 누워있는 비구면 렌즈(aspheric lens)를 형성할 수 있는 마이크로렌즈 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 X-선 마스크의 흡수체를 사각 형상으로 형성하고 기판을 회전시키면서 노광하여 반원통형 렌즈를 형성할 수 있는 마이크로렌즈 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 X-선 마스크의 흡수체를 타원 형상으로 형성하고 기판을 회전시키면서 노광하여 계란형 렌즈를 형성할 수 있는 마이크로렌즈 제조방법.
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