KR100441881B1 - Method for manufacturing mold of micro-structure array for optics - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광학용 초소형 구조물 어레이 금형의 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 LIGA(in german, Lithographie-노광, Galvanoformung-전기도금, Abformung-사출성형) 공정과 열처리 공정을 이용하여 마이크로 렌즈 등의 구조물이 있는 광학용 초소형 구조물 어레이 금형의 제조방법에 관한 것이다. 한편, 본 발명은 방사광 가속기의 X-선 1차 노광과 현상, X-선 2차 노광 그리고 열처리의 방법으로 마이크로 렌즈 등의 특정한 구조물이 있는 광학용 초소형 구조물 어레이 형태를 구현하고, 이를 바탕으로 전기도금을 통해 초정밀 금형을 제작하는 광학용 초소형 구조물 어레이 금형의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a microstructure array mold for optics, and more particularly, to a microlens using LIGA (in german, Lithographie-exposure, Galvanoformung-electroplating, Abformung-injection molding) process and heat treatment process. The present invention relates to a method for manufacturing an optical microstructure array mold having a structure. On the other hand, the present invention implements an optical microstructure array form having a specific structure such as a micro lens by the method of X-ray primary exposure and development, X-ray secondary exposure and heat treatment of the radiation accelerator, and based on this The present invention relates to a method for manufacturing an optical microstructure array mold for manufacturing an ultra-precision mold through plating.

Description

광학용 초소형 구조물 어레이 금형의 제조방법{Method for manufacturing mold of micro-structure array for optics}Method for manufacturing mold of micro-structure array for optics

본 발명은 광학용 초소형 구조물 어레이 금형의 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 LIGA(in german, Lithographie-노광, Galvanoformung-전기도금, Abformung-사출성형) 공정과 열처리 공정을 이용하여 마이크로 렌즈 등의 특수한 구조물이 있는 광학용 초소형 구조물 어레이 금형의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a microstructure array mold for optics, and more particularly, to a microlens using LIGA (in german, Lithographie-exposure, Galvanoformung-electroplating, Abformung-injection molding) process and heat treatment process. The present invention relates to a method for manufacturing an optical microstructure array mold having a special structure.

한편, 본 발명은 방사광 가속기의 X-선 1차 노광과 현상, X-선 2차 노광 그리고 열처리의 방법으로 마이크로 렌즈 등의 특정한 구조물이 있는 광학용 초소형 구조물 어레이 형태를 구현하고, 이를 바탕으로 전기도금을 통해 초정밀 금형을 제작하는 광학용 초소형 구조물 어레이 금형의 제조방법에 관한 것이다.On the other hand, the present invention implements an optical microstructure array form having a specific structure such as a micro lens by the method of X-ray primary exposure and development, X-ray secondary exposure and heat treatment of the radiation accelerator, and based on this The present invention relates to a method for manufacturing an optical microstructure array mold for manufacturing an ultra-precision mold through plating.

당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 광학용 초소형 리플렉터 혹은 광학용 초소형 프리즘이란 입사된 빛을 프리즘의 각 면에 반사시켜 원래의 광원방향으로 다시 보내는 구조물을 일컫는데, 이에 대한 일실시예를 도 1에 나타내 보였다.As is well known to those skilled in the art, an optical micro reflector or an optical micro prism refers to a structure in which incident light is reflected on each side of the prism and sent back to the original light source, an example of which is shown in FIG. Seemed.

도 1을 참조하면, 빛이 리플렉터의 구조체에 입사되면, 사면체 프리즘 모양의 구조체에 의하여 빛이 각 면에 반사되어 광원 방향으로 다시 보내지게 된다. 이런 성질을 이용하면, 광량이 적은 곳에서도 식별이 가능한 표시들을 만들 수 있게 된다. 이것을 이용한 제품은 의류 업계나 스포츠 상품 등에 많이 이용되고 있다.Referring to FIG. 1, when light is incident on a structure of a reflector, light is reflected on each surface by a tetrahedral prism-shaped structure and sent back to the light source. Using this property, it is possible to make marks that can be identified even in low light levels. Products using this are widely used in the apparel industry and sports goods.

상기한 바와 같은 현상을 효율적으로 일으키기 위해서 도 1에 도시한 바와 같은 수백 ㎛ 크기의 초소형 프리즘 어레이를 제작하고자 하는 다양한 시도가 있었다. 도 1에 도시한 바와 같은 초소형 프리즘 어레이의 제작에 있어서, 각 면에서의 표면 거칠기와 다양한 크기를 가지는 구조물의 제작이 가장 중요한데, 이러한 조건들을 충족시키는 초소형 구조물들을 제작하기 위해 기존에는 기계적인 절삭에 의한 방법이나 방사광 가속기의 X-선을 경사노광하여 구조물을 만드는 LIGA(in german, Lithographie-노광, Galvanoformung-전기도금, Abformung-사출성형) 공정을 통한 시도들이 있었다.In order to efficiently produce the above-described phenomenon, various attempts have been made to fabricate a micro prism array having a size of several hundred μm as shown in FIG. 1. In manufacturing a micro prism array as shown in FIG. 1, it is most important to fabricate a structure having surface roughness and various sizes on each side. In order to fabricate micro structures that meet these conditions, conventional mechanical cutting is required. Attempts have been made through the LIGA (in german, Lithographie-exposure, Galvanoformung-electroplating, Abformung-injection molding) process, which produces the structure by oblique exposure of the X-rays of the radiation accelerator.

그런데, 상기한 기계적인 절삭 방법을 통해 초소형 프리즘 어레이를 제작할 때 그 표면 거칠기가 만족스럽지 않으며, 그 크기와 모양을 설계하는데에 있어서도 제약 조건을 많이 가지고 있다.However, the surface roughness is not satisfactory when the micro prism array is manufactured through the mechanical cutting method described above, and there are many constraints in designing the size and shape thereof.

또한, 기존의 LIGA 공정에 따르면, 표면조도가 우수한 초소형 프리즘 어레이의 구조물을 구현할 수 있고, 해당 구조물을 만들 수 있는 모양이나 크기에 대해서도 자유롭지만, 제작된 구조물 내에 마이크로 렌즈 등의 다른 광학용 구조물을 만드는데에는 여러가지 문제점을 가지고 있다.In addition, according to the existing LIGA process, it is possible to implement a structure of an ultra-small prism array with excellent surface roughness, and freely with respect to the shape and size to make the structure, but other optical structures such as micro lenses may be incorporated into the fabricated structure. There are various problems in making it.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, LIGA 공정으로 X-선 마스크를 이용하여 1차 노광 후 현상공정, X-선 마스크의 얼라인(align) 후 이루어지는 2차 노광, 그리고 열처리 공정을 통하여 마이크로렌즈 등의 특정한 구조물이 있는 광학용 초소형 구조물 어레이를 제작하고 이를 바탕으로 하여 금형을 제작하는 광학용 초소형 구조물 어레이 금형의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was created in order to solve the above problems, the first post-exposure development process using the X-ray mask in the LIGA process, the second exposure after alignment of the X-ray mask, and heat treatment It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing an optical microstructure array mold for manufacturing an optical microstructure array having a specific structure such as a microlens and manufacturing a mold based on the process.

본 발명의 다른 목적은 방사광 가속기의 싱크로트론 방사광(Synchrontron Radiation)을 이용하여 소정의 패턴을 갖는 구조물을 용이하게 제조할 수 있도록 한 광학용 초소형 구조물 어레이 금형의 제조방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a microstructure array mold for optics, which makes it possible to easily manufacture a structure having a predetermined pattern by using Synchrontron Radiation of a radiation accelerator.

도 1는 일반적인 광학용 초소형 프리즘 어레이의 형태도.1 is a shape diagram of a general optical micro prism array.

도 2a 내지 도 2j는 본 발명에 따른 광학용 초소형 구조물 어레이 금형 제조방법의 공정도,2a to 2j is a process chart of the optical microstructure array mold manufacturing method according to the invention,

도 3a는 본 발명에 따라 완성된 광학용 초소형 구조물 어레이 금형의 평면도.Figure 3a is a plan view of an optical microstructure array mold completed in accordance with the present invention.

도 3b는 본 발명에 따라 완성된 광학용 초소형 구조물 어레이 금형의 측면도.Figure 3b is a side view of the optical microstructure array mold completed in accordance with the present invention.

도 3c는 본 발명에 따라 완성된 다른 실시예의 완성된 광학용 초소형 구조물 어레이 금형의 사시도.3C is a perspective view of a finished optical microstructure array mold of another embodiment completed in accordance with the present invention.

도 4a는 본 발명에 따른 광학용 초소형 구조물 어레이 금형 제조방법의 1차 X-선 노광에 쓰이는 일실시예의 X-선 마스크의 평면도.Figure 4a is a plan view of an X-ray mask of one embodiment used for the primary X-ray exposure of the optical microstructure array mold manufacturing method according to the present invention.

도 4b는 본 발명에 따른 광학용 초소형 구조물 어레이 금형 제조방법의 2차 X-선 노광에 쓰이는 일실시예의 X-선 마스크의 평면도.Figure 4b is a plan view of an embodiment of the X-ray mask used for the secondary X-ray exposure of the optical microstructure array mold manufacturing method according to the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

1 : 크롬/금(Cr/Au) 금속층 2 : PMMA(PolyMethylMethacrylAte)1: chromium / gold (Cr / Au) metal layer 2: PMMA (PolyMethylMethacrylAte)

3 : 티타늄(Ti) 금속층 4 : 실리콘 기판3: titanium (Ti) metal layer 4: silicon substrate

5 : 포토레지스트 층 6 : 도금된 금 X-선 흡수층(X-선 마스크)5: photoresist layer 6: plated gold X-ray absorbing layer (X-ray mask)

7 : 방사광 X-선 8,9 : X-선과 PMMA가 이루는 입사각7: Radiated light X-ray 8,9: Incidence angle between X-ray and PMMA

10 : 2차 노광되는 부분 11 : 특수 구조물(마이크로 렌즈)10: secondary exposure part 11: special structure (micro lens)

12 : 티타늄(Ti) 금속층 13 : 전기도금된 니켈(Ni) 금형12 titanium layer 13 electroplated nickel (Ni) mold

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광학용 초소형 구조물 어레이 금형의 제조방법은, LIGA 공정을 이용하여, 소정의 특정한 구조물이 있는 광학용 초소형 구조물 어레이를 사출성형하기 위한 금형 제조방법에 있어서, X-선 마스크를 이용하여 한번 또는 두번 이상 노광하는 단계와; 상기 노광단계에서 노광된 시편을 현상하여 원하는 소정의 초소형 광학용 구조물 어레이 형태의 PMMA를 제작하는 PMMA 제작단계와; 상기 PMMA 제작단계에서 제작된 초소형 광학용 구조물 어레이 형태의 PMMA에 다른 마스크를 사용하여 원하는 부분에 X-선 2차 노광하는 단계와; 상기 2차 노광단계를 실시한 후에 열처리를 실시하여 상기 X-선에 의해 노광된 감광재의 부분만을 비노광된 부분에 대해 선택적으로 표면을 녹여 변형시켜 소정의 모양을 갖는 구조물을 제조하는 단계; 및 상기 제작된 PMMA 형상에 니켈 도금을 한 후 상기 PMMA를 녹여 실리콘 기판을 제거하여 해당하는 구조물 어레이 형태의 니켈금형을 얻는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.In order to achieve the above object, the manufacturing method of the optical microstructure array mold according to the present invention, in the mold manufacturing method for injection molding the optical microstructure array having a predetermined specific structure using a LIGA process, X Exposing at least once or twice using a line mask; A PMMA manufacturing step of manufacturing a PMMA having a predetermined microscopic optical array structure by developing the specimen exposed in the exposure step; X-ray secondary exposure to a desired portion using a different mask to the PMMA in the form of an ultra-structured optical structure produced in the PMMA manufacturing step; Manufacturing a structure having a predetermined shape by performing a heat treatment after the second exposure step to selectively melt and deform a surface of only a portion of the photosensitive material exposed by the X-ray with respect to an unexposed portion; And after the nickel plating on the manufactured PMMA shape, melting the PMMA to remove the silicon substrate, thereby obtaining a nickel mold having a corresponding structure array shape.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 특정한 구조물은 마이크로 렌즈이고, 이 마이크로 렌즈는 상기 광학용 초소형 구조물 안에 내장된다.In a preferred embodiment, the particular structure is a micro lens, which is embedded in the optical microstructure.

바람직한 실시예에 있어서, 첨부도면 도 4a에 도시한 바와 같은 X-선 마스크를 이용하여 도시한 바와 같이 얼라인(align) 없이 4번의 노광을 통하여 피라미드 형태의 사각뿔의 구조물 어레이를 만들 수 있다.In a preferred embodiment, an array of structures of pyramidal square pyramids can be made through four exposures without alignment, as shown using an X-ray mask as shown in FIG. 4A.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 X-선 1차 노광, 현상 후 상기 사각뿔의 구조물 어레이를 만들 경우 첨부도면 도 4b에 도시한 바와 같은 형상의 X-선 마스크를 제작하는 단계를 포함한다.In a preferred embodiment, the step of fabricating an array of the structure of the square pyramid after the X-ray primary exposure and development includes the step of manufacturing an X-ray mask having a shape as shown in FIG. 4B.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 1차 X-선 경사 노광시 X-선 마스크를 이용하여 상기 소정의 구조물을 만들 경우 경사각을 1도에서 90도까지 변경하여 제작할 수 있다.In a preferred embodiment, when the predetermined structure is made by using an X-ray mask during the first X-ray oblique exposure, it may be manufactured by changing the inclination angle from 1 degree to 90 degrees.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 2차 X-선 노광시의 상기 특정한 구조물로서 마이크로 렌즈를 만들 경우 X-선 마스크를 첨부도면 도 4b에 도시한 바와 같은 형상의 X-선 마스크를 제작하는 단계를 포함한다.In a preferred embodiment, the method comprises fabricating an X-ray mask having a shape as shown in FIG. 4B when attaching an X-ray mask when making a microlens as the specific structure during the second X-ray exposure. do.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 구조물의 금형틀을 제조해서 상기 금형틀에 사출성형 또는 핫엠보싱 공정을 실시하여 동일한 형태의 구조물을 다수개 제작할 수 있다.In a preferred embodiment, it is possible to manufacture a plurality of structures of the same shape by manufacturing a mold of the structure and subjected to an injection molding or hot embossing process on the mold.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 열처리 공정의 온도 범위가 50℃ ~ 250℃이다.In a preferred embodiment, the temperature range of the heat treatment process is 50 ℃ ~ 250 ℃.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 열처리 공정 온도가 50℃ 이하이면 열처리 변형이 발생하지 않고, 상기 열처리 공정 온도가 250℃ 이상이면 상기 감광재의 소정의 패턴에 기포가 쉽게 생기거나 감광재 기판 자체가 녹도록 된다.In a preferred embodiment, if the heat treatment process temperature is 50 ℃ or less, no heat treatment deformation occurs, and if the heat treatment process temperature is 250 ℃ or more so that bubbles are easily generated in a predetermined pattern of the photosensitive material or the photosensitive material substrate itself melts. do.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 2차 X-선 노광시에 상기 감광재에 축적되는 에너지량은 1kJ/cm3~ 20kJ/cm3의 범위이다.In a preferred embodiment, at the time of the second X- ray exposure amount of energy accumulated in the photosensitive material is in the range of 1kJ / cm 3 ~ 20kJ / cm 3.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 2차 X-선 노광시에 상기 감광재에 축적되는 에너지량이 1kJ/cm3이하이면, 열처리 변형이 발생하지 않고, 20kJ/cm3이상이면 상기 노광단계 또는 열처리 단계에서 상기 감광재의 소정의 패턴에 기포가 쉽게 생긴다.In a preferred embodiment, the second X- ray exposure amount at the time when the energy accumulated in said photosensitive material 1kJ / cm 3 or less, without causing a heat treatment transformation, 20kJ / cm 3 or more is in the exposure step or the heat treatment step Bubbles easily occur in a predetermined pattern of the photosensitive material.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 어레이의 형태가 도 3c에 도시한 바와 같이 삼각산맥 형태이고, 이 삼각산맥 형태의 어레이에 마이크로 렌즈 구조물이 형성되게 할 수 있는데, 이때는 첫번째 X-선 노광에서 45도의 경사로 경사노광을 네번 시행하고, 현상하고, 2차 노광을 시행하고 열처리를 한다.In a preferred embodiment, the shape of the array is triangular, as shown in FIG. 3C, and the microlens structure can be formed in the triangular-shaped array, with a ramp of 45 degrees at the first X-ray exposure. Inclined exposure is performed four times, developed, subjected to secondary exposure, and heat treated.

이하, 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 광학용 초소형 구조물 어레이 금형의 제조방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the manufacturing method of the optical microstructure array mold according to the present invention. In the following description of the present invention, when it is determined that detailed descriptions of related well-known technologies or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted. In addition, terms to be described below are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the intention or custom of a user or an operator. Therefore, the definition should be based on the contents throughout the specification.

도 2는 본 발명에 따른 광학용 초소형 구조물 어레이 금형의 제조방법의 공정 순서도이고, 도 3은 본 발명에 따른 광학용 초소형 구조물 어레이 금형의 제조방법에 의해 제조된 일실시예의 금형 형태도, 도 4는 본 발명에 따른 광학용 초소형 구조물 어레이 금형의 제조방법의 X-선 노광에 쓰이는 X-선 마스크의 평면도이다.Figure 2 is a process flow chart of a manufacturing method of the optical microstructure array mold according to the present invention, Figure 3 is a mold form of an embodiment manufactured by the manufacturing method of the optical microstructure array mold according to the present invention, Figure 4 Is a plan view of an X-ray mask used for X-ray exposure of the method for manufacturing an optically compact structure array mold according to the present invention.

먼저, 본 발명 광학용 초소형 구조물 어레이 금형의 제조방법의 실시예를 설명하기에 앞서 본 발명 제조방법과 관련된 기술에 대해서 살펴보면 아래와 같다.First, prior to describing an embodiment of a method for manufacturing the microstructure array mold for optics of the present invention, the technology related to the method for manufacturing the present invention will be described.

현재, 방사광을 이용한 첨단과학 기술의 개발연구가 괄목할만한 성과를 쌓아가고 있다. 방사광을 이용한 응용연구로서는 이미 알려져 있는 X-선 사진 기술(X-ray lithography)을 이용한 반도체 개발에의 응용을 시작으로 최근에 주목을 받고 있는 연구분야로서 LIGA공정을 이용한 마이크로머시닝(Micromachining)이 있다.At present, research on the development of advanced science and technology using radiant light has made remarkable achievements. Application research using radiant light includes micromachining using LIGA process, which has recently attracted attention since its application to semiconductor development using known X-ray lithography. .

본 발명에서 사용되는 LIGA공정이란, 독일 칼수루에(Kalsruhe) 원자핵연구소에서 우라늄 동위원소를 분리하기 위해 슬롯 노즐(Slot nozzle)을 제작하는 과정에서 처음으로 개발되었던 공정으로 방사광을 이용해 상대적으로 두꺼운 X-선 감광재에 필요한 패턴을 노광, 현상한 후 도금, 몰딩을 통해 3차원 구조체를 제작할 수 있게 하는 공정이다.The LIGA process used in the present invention is a process that was first developed in the process of manufacturing a slot nozzle for separating uranium isotopes at the Kasruhe Atomic Nuclear Research Institute in Germany. It is a process to make 3D structure through plating and molding after exposing and developing the pattern necessary for the line photosensitive material.

본 발명에서 사용되는 싱크론트론 방사광은 강도가 기존의 광원보다 적어도 수만배 이상의 강한 펄스광원이며, 평행성이 매우 좋아 퍼짐이 아주 작고, 연속 에너지 스펙트럼을 가지고 있고, 고진공에서 방생하는 아주 깨끗한 광원이라는 탁월한 특성을 가지고 있다. 따라서 기존의 광원에 비해 노광시간을 극단적으로 줄일 수 있고, 퍼짐이 매우 작아 높은 고폭비의 구조의 실현이 가능하다. 또한, 임의의 파장역을 선택함으로써 마스크의 자유도를 증가시킬 수가 있어, LIGA공정에 최적의 X-선 광원이라고 할 수 있다.The synchrotron radiation used in the present invention is a pulsed light source whose intensity is at least tens of thousands of times higher than that of a conventional light source, the parallelism is very good, the spread is very small, has a continuous energy spectrum, and is a very clean light source generated in high vacuum. It has excellent characteristics. Therefore, the exposure time can be extremely reduced compared to the conventional light source, and the spreading is very small, thereby realizing a high width ratio structure. In addition, by selecting an arbitrary wavelength range, the degree of freedom of the mask can be increased, and it can be said to be an X-ray light source that is optimal for LIGA process.

LIGA 공정을 이용하면 고에너지와 직진성을 갖는 X-선의 성질을 이용하여 수 ㎛ 단위의 정밀한 구조도 구현할 수 있을 뿐더러 그 표면거칠기에 대한 문제도 해결할 수 있다. 현재 보유하고 있는 기술을 이용하면 각 변의 길이 뿐 아니라 면과 면 사이의 각도도 조절할 수도 있다.Using the LIGA process, high-energy and straight-line X-rays can be used to achieve precise structures on the order of a few micrometers and solve the problem of surface roughness. With current technology, you can adjust the angle between sides as well as the length of each side.

따라서, 본 발명에 따라 마이크로 렌즈 등의 구조물을 가지는 소위 차세대 광학용 구조물 어레이를 제작하기 위한 방법과 원리는 아래와 같다.Therefore, the method and principle for manufacturing a so-called next generation optical structure array having a structure such as a micro lens according to the present invention are as follows.

감광재인 PMMA(PolyMethylMethacrylAte) 등에 방사광 가속기의 X-선과 X-선 마스크를 이용하여 1차 노광을 시행하고 그에 대한 현상 공정을 행한다. 이로써, 원하는 광학용 초소형 구조물 어레이를 먼저 제작한다. 여기에 다른 X-선 마스크를 얼라인하여 구조물의 원하는 부분에 2차 X-선 노광을 시행한다. 이때에 X-선이 노광된 부분은 감광재(이 경우에는 PMMA) 분자량이 감소되고 이에 따라 Tg(glass transition temperature)가 감소하게 된다. 여기에 열처리 공정을 가하면 Tg가 줄어든 부분은 노광이 안된 부분보다 낮은 온도에서 녹게 되어 리플로우(reflow)가 일어나고 이에 따라 마이크로 렌즈 등의 형상을 가진 구조물이 된다. 여기에 도 2j와 같이 니켈 금형틀을 제작하고 여기에 핫 엠보싱 공정을 통하여 원하는 제품들을 대량생산할 수 있다.PMMA (PolyMethylMethacrylAte), which is a photosensitive material, is subjected to primary exposure using an X-ray and an X-ray mask of a radiation accelerator, and a developing process is performed. As a result, a desired optical microstructure array is first manufactured. Another X-ray mask is aligned with this and subjected to secondary X-ray exposure to the desired portion of the structure. At this time, the portion of the X-ray exposed is reduced the molecular weight of the photosensitive material (PMMA in this case), thereby reducing the glass transition temperature (Tg). When the heat treatment process is applied thereto, the portion where the Tg is reduced is melted at a lower temperature than the unexposed portion, whereby reflow occurs, thereby forming a structure having a shape such as a micro lens. Here, as shown in FIG. 2j, a nickel die mold may be manufactured and desired products may be mass-produced through a hot embossing process.

즉, 본 발명은 방사광 가속기의 X-선 1차 노광과 현상, X-선 2차 노광, 그리고 열처리의 방법으로 마이크로 렌즈 등의 특정한 구조물이 있는 광학용 초소형 구조물 어레이 형태를 구현하고, 이를 바탕으로 전기도금을 통해 초정밀 금형을 제작하는 것이다.That is, the present invention implements an optical microstructure array type having a specific structure such as a micro lens by the method of X-ray primary exposure and development, X-ray secondary exposure, and heat treatment of the radiation accelerator. Ultra-precision mold is produced by electroplating.

이하, 도 2 내지 도 4를 참조하면서 본 발명에 따른 광학용 초소형 구조물 어레이 금형의 제조방법에 대해 상세히 설명한다. 참고로, 본 명세서에서 그 높이가 50㎛이고 그 옆면의 기울기가 45도, 그리고 1차 노광에 있어서 4번 경사노광하는 피라미드 구조체를 예로 본 발명의 일실시예를 설명하지만, 구조물의 각도와 높이 및 노광하는 횟수 등의 조건들을 조절하여 기타 원하는 다른 여러가지 구조물들을 제작할 수 있음은 물론이다. 또한, 광학용 구조물 어레이 안에 있게 될 특정한 구조체는 노광 조건과 X-선 마스크, 그리고 열처리에 따라서 여러가지가 가능하는 것은 당업자에게 자명할 것이다.Hereinafter, a method of manufacturing the optical microstructure array mold according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 2 to 4. For reference, in the present specification, an embodiment of the present invention will be described with an example of a pyramid structure having a height of 50 μm, an inclination of the side surface of 45 degrees, and a fourth inclination exposure in the first exposure, but the angle and height of the structure And other desired structures by adjusting conditions such as the number of exposures. In addition, it will be apparent to those skilled in the art that the specific structure that will be in the array of optical structures may be varied depending on the exposure conditions, the X-ray mask, and the heat treatment.

본 발명의 바람직한 일실시예에서, 광학용 구조물 어레이로서는 피라미드 모양의 구조체를, 그리고 그 안에 있게 될 특정한 구조물로서는 마이크로 렌즈를 예로 한다.In a preferred embodiment of the present invention, the pyramidal structure is used as an array of optical structures, and a microlens is used as a specific structure to be contained therein.

도 2a를 참조하면, 실리콘 기판(4)에 티타늄(3)을 약 1000Å정도 열증착기(thermal evaporator)를 이용하여 증착시킨다. 그 다음, 액상 PMMA(2)를 실리콘 기판(4) 상에 2㎛정도 회전도포(spin coating; 1000rpm, 40초)한 후, 180℃에서 1시간동안 열처리한다. 열처리 후, 두께 1mm의 PMMA 판을 MMA를 이용하여 실리콘 기판(4)의 액상 PMMA와 접합시킨 후 1kg 정도의 중량을 3시간 정도 가한다.그런 다음, 1mm의 감광재인 PMMA판을 원하는 두께(100㎛)로 가공(lapping)하고 수백 Å정도의 거칠기를 갖는 경면으로 가공(polishing)한다. 그리고, 감광재 PMMA(2) 표면에 전기도금을 위한 전도층(1)으로 사용될 크롬과 금을 각각 300Å정도를 열증착기로 증착시킨다.Referring to FIG. 2A, titanium 3 is deposited on a silicon substrate 4 using a thermal evaporator of about 1000 kPa. Then, the liquid PMMA 2 is spin coated on the silicon substrate 4 by about 2 µm (1000 rpm, 40 seconds), and then heat-treated at 180 ° C. for 1 hour. After the heat treatment, the PMMA plate having a thickness of 1 mm is bonded to the liquid PMMA of the silicon substrate 4 using MMA, and then a weight of about 1 kg is added for about 3 hours. Lamination) and polish to a mirror surface having a roughness of about several hundred micrometers. Then, chromium and gold to be used as the conductive layer 1 for electroplating are deposited on the surface of the photosensitive material PMMA (2) by a thermal evaporator.

도 2b를 참조하면, AZ 9260 포토레지스트(photoresist; 5)를 크롬/금 금속층(1)상에 10㎛정도 회전도포(1000rpm, 40초)시킨다. 그 다음, 핫 플레이트(hot plate)에서 90℃, 100초 동안 열처리한다.Referring to FIG. 2B, the AZ 9260 photoresist 5 is rotated on the chromium / gold metal layer 1 by about 10 μm (1000 rpm, 40 seconds). Then, heat-treat at 90 ° C. for 100 seconds on a hot plate.

도 2c를 참조하면, X-선 마스크 형상을 갖는 자외선(UV) 마스크(40; 도 4)로 16mW/cm2세기로 35초동안 자외선(UV) 노광한다. AZ 400K 현상액에서 2분 30초 동안 현상한다.Referring to FIG. 2C, an ultraviolet (UV) mask 40 having an X-ray mask shape (FIG. 4) is exposed to ultraviolet (UV) light for 16 seconds at 16 mW / cm 2 intensity. Develop in AZ 400K developer for 2 minutes 30 seconds.

도 2d를 참조하면, 2mA/cm2전류밀도로 90분 동안 전기도금을 하면 약 8㎛두께의 금 X-선 흡수층(6)을 얻을 수 있다. 결과적으로 금 X-선 흡수층(6)이 X-선 마스크가 된다.Referring to FIG. 2D, a gold X-ray absorbing layer 6 having a thickness of about 8 μm can be obtained by electroplating for 90 minutes at a current density of 2 mA / cm 2 . As a result, the gold X-ray absorbing layer 6 becomes an X-ray mask.

도 2e를 참조하면, 불필요한 포토레지스(5)를 제거하기 위해서 UV 마스크 없이 자외선에 40초간 노광시킨 후 AZ 400K에서 3분 동안 현상한다.Referring to FIG. 2E, in order to remove the unnecessary photoresist 5, it is exposed to ultraviolet light for 40 seconds without a UV mask and then developed for 3 minutes at AZ 400K.

도 2f 및 도 4을 참조하면, 방사광 가속기에서 나오는 X-선(7)이 감광재 PMMA(2)에 입사되는 각을 각각 +45도(8)와 -45도(9)로 노광한다. 이때 노광된 좁은 PMMA(2)가 충분히 현상될 수 있도록 PMMA(2) 바닥에 축적되는 에너지의 양이 3kJ/cm3이 되도록 충분한 시간동안 노광시킨다.2F and 4, the angle at which the X-ray 7 exiting the radiation accelerator accelerates the photosensitive material PMMA 2 is exposed to +45 degrees (8) and -45 degrees (9), respectively. At this time, the exposed narrow PMMA 2 is exposed for a sufficient time so that the amount of energy accumulated at the bottom of the PMMA 2 is 3 kJ / cm 3 so that the developed narrow PMMA 2 can be sufficiently developed.

도 2g를 참조하면, 노광된 시편을 PMMA 현상액으로 상온에서 500rpm의 속도로 스터링(stirring)하면서 약 2시간 정도 현상을 하면 원하는 형상을 얻을 수가 있다.Referring to FIG. 2G, a desired shape may be obtained by developing the exposed specimen for about 2 hours while stirring at 500 rpm at room temperature with a PMMA developer.

도 2h를 참조하면, 새로운 X-선 마스크를 이용하여 2차 노광, 열처리를 통해 제작하고자 하는 특정한 구조물(예; 마이크로 렌즈)을 만들 부분(11)을 선택적으로 2차 노광한다. 마이크로 렌즈 구조물의 경우 도 4b와 같은 X-선 마스크를 제작하여 노광 윗부분에 측적되는 에너지 양이 1kJ/cm3~ 20kJ/cm3이 되도록 노광한다. 바람직하게는 2kJ/cm3~ 3.5kJ/cm3정도의 범위에서 행한다.Referring to FIG. 2H, a second X-ray mask is selectively exposed to a second portion of the portion 11 to be fabricated through a second exposure and heat treatment to produce a specific structure (eg, a micro lens). For a micro-lens structure produced X- ray mask as shown in Fig. 4b is exposed to the amount of energy for exposure cheukjeok upper part so that the 1kJ / cm 3 ~ 20kJ / cm 3. Preferably carried out in the range of about 2kJ / cm 3 ~ 3.5kJ / cm 3.

도 2i를 참조하면, 2차 노광까지 끝난 샘플을 오븐에 넣어 열처리 공정을 실시한다. 열처리 공정의 온도 범위에 있어서, 50도 ~ 250도의 범위에서 일정한 시간동안 시행한다. 바람직하게는 90도에서 130도 사이이다. 이 열처리 공정을 통해 마이크로 렌즈의 형상을 갖는 특정한 구조물(11)을 먼저 제작된 구조물 어레이 안에 만들 수 있다.Referring to FIG. 2I, a sample finished until the second exposure is put in an oven to perform a heat treatment step. In the temperature range of the heat treatment process, it is carried out for a predetermined time in the range of 50 to 250 degrees. Preferably it is between 90 and 130 degrees. Through this heat treatment process, a specific structure 11 having the shape of a micro lens can be made in the fabricated array of structures.

도 2j를 참조하면, 만들어진 PMMA(2) 형상 위에 니켈(Ni) 도금을 위한 전도층으로 티타늄(10)을 약 300Å 증착시킨다. 술퍼민산옥니켈 용액(55℃, pH4)에서 장시간 도금을 한 후, 유기용매로 PMMA를 녹여 실리콘 기판을 제거하면 도 3a 내지 도 3c에 도시한 바와 같은 니켈 금형(11)을 얻을 수가 있다.Referring to FIG. 2J, about 300 Å of titanium 10 is deposited as a conductive layer for nickel (Ni) plating on the PMMA 2 shape. After plating for a long time in a sulphate sulphate solution (55 DEG C, pH4), the PMMA is dissolved in an organic solvent to remove the silicon substrate, thereby obtaining a nickel mold 11 as shown in Figs. 3A to 3C.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 광학용 초소형 구조물 어레이 금형의 제조방법은, LIGA 공정으로 X-선 마스크를 이용하여 1차 노광 후 현상공정, X-선 마스크의 얼라인(align) 후 이루어지는 2차 노광, 그리고 열처리 공정을 통하여 마이크로렌즈 등의 특정한 구조물이 있는 광학용 초소형 구조물 어레이를 제작하고 이를 바탕으로 하여 금형을 제작할 수 있게 하는 이점을 제공한다.As described above, the method for manufacturing an optical microstructure array mold according to the present invention is a LIGA process, which is performed after the first exposure development process using an X-ray mask and after alignment of the X-ray mask. Through the differential exposure and heat treatment process, an optical microstructure array having a specific structure such as a microlens may be manufactured and a mold may be manufactured based on the optical structure.

한편, 본 발명은 방사광 가속기의 싱크로트론 방사광(Synchrontron Radiation)을 이용하여 소정의 패턴을 갖는 구조물을 용이하게 제조할 수 있도록 하는 이점을 제공한다.On the other hand, the present invention provides an advantage that it is possible to easily manufacture a structure having a predetermined pattern using Synchrontron Radiation of the radiation accelerator.

이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.Although a preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, those skilled in the art to which the present invention pertains may make various changes without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. It will be appreciated that modifications or variations may be made. Therefore, changes in the future embodiments of the present invention will not be able to escape the technology of the present invention.

Claims (11)

LIGA 공정을 이용하여, 소정의 특정한 구조물이 있는 광학용 초소형 구조물 어레이를 사출성형하기 위한 금형 제조방법에 있어서,In the mold manufacturing method for injection molding an optical microstructure array having a predetermined specific structure using a LIGA process, X-선 마스크를 이용하여 한번 또는 두번 이상 노광하는 단계;Exposing at least once or twice using an X-ray mask; 상기 노광단계에서 노광된 시편을 현상하여 원하는 소정의 초소형 광학용 구조물 어레이 형태의 감광재 PMMA를 제작하는 PMMA 제작단계;A PMMA manufacturing step of manufacturing a photosensitive material PMMA in the form of a predetermined microscopic optical structure array by developing the specimen exposed in the exposure step; 상기 PMMA 제작단계에서 제작된 초소형 광학용 구조물 어레이 형태의 감광재PMMA에 다른 마스크를 사용하여 원하는 부분에 X-선 2차 노광하는 단계;X-ray secondary exposure to a desired portion using a different mask to the photosensitive material PMMA of the ultra-structured optical structure array produced in the PMMA manufacturing step; 상기 2차 노광단계를 실시한 후에 열처리를 실시하여 상기 X-선에 의해 노광된 감광재의 부분만을 비노광된 부분에 대해 선택적으로 표면을 녹여 변형시켜 소정의 모양을 갖는 구조물을 제조하는 단계; 및Manufacturing a structure having a predetermined shape by performing a heat treatment after the second exposure step to selectively melt and deform a surface of only a portion of the photosensitive material exposed by the X-ray with respect to an unexposed portion; And 상기 제작된 PMMA 형상에 니켈 도금을 한 후 상기 PMMA를 녹여 실리콘 기판을 제거하여 해당하는 구조물 어레이 형태의 니켈 금형을 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학용 초소형 구조물 어레이 금형의 제조방법.And forming a nickel mold in a corresponding structure array form by removing the silicon substrate by melting the PMMA after nickel plating on the manufactured PMMA shape. 제1항에 있어서, 상기 특정한 구조물은 마이크로 렌즈이고, 이 마이크로 렌즈는 상기 광학용 초소형 구조물 안에 내장된 것을 특징으로 하는 광학용 초소형 구조물 어레이 금형의 제조방법.The method of claim 1, wherein the specific structure is a micro lens, and the micro lens is embedded in the optical micro structure. 제1항에 있어서, 소정의 X-선 마스크를 이용하여 얼라인 없이 4번의 노광을 통하여 피라미드 형태의 사각뿔의 구조물 어레이를 만들도록 된 광학용 초소형 구조물 어레이 금형의 제조방법.The method of manufacturing an optically-miniature structure array mold according to claim 1, wherein the array of pyramidal square pyramid structures is made through four exposures without alignment using a predetermined X-ray mask. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 X-선 1차 노광, 현상 후 상기 사각뿔의 구조물 어레이를 만들 경우 상기 특정한 구조물 형상의 X-선 마스크를 제작하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학용 초소형 구조물 어레이 금형의 제조방법.The optical method of claim 1 or 3, further comprising manufacturing an X-ray mask having a specific structure shape when the array of square pyramids is formed after the X-ray first exposure and development. Manufacturing method of micro structure array mold. 제1항에 있어서, 상기 1차 X-선 경사노광시 X-선 마스크를 이용하여 상기 소정의 구조물을 만들 경우 경사각을 1도에서 90도까지 변경하여 제작할 수 있도록 된 광학용 초소형 구조물 어레이 금형의 제조방법.The method of claim 1, wherein when the first X-ray oblique exposure to the predetermined structure by using the X-ray mask of the microstructure of the optical structure array mold to be manufactured by changing the inclination angle from 1 degree to 90 degrees Manufacturing method. 제1항에 있어서, 상기 2차 X-선 노광시의 상기 특정한 구조물로서 마이크로 렌즈를 만들 경우 X-선 마스크를 상기 마이크로 렌즈의 형상과 같은 형상의 X-선 마스크를 제작하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학용 초소형 구조물 어레이 금형의 제조방법.The method according to claim 1, further comprising the step of making an X-ray mask having the same shape as the shape of the micro lens when making a micro lens as the specific structure during the second X-ray exposure. A method of manufacturing an optical microstructure array mold. 제1항에 있어서, 상기 구조물의 금형틀을 제조해서 상기 금형틀에 사출성형 또는 핫엠보싱 공정을 실시하여 동일한 형태의 구조물을 다수개 제작할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 광학용 구조물 어레이 금형의 제조방법.The method of claim 1, wherein the mold of the structure is manufactured to perform injection molding or hot embossing on the mold to manufacture a plurality of structures of the same structure. . 제1항에 있어서, 상기 열처리 공정의 온도 범위가 50℃ ~ 250℃ 인 것을 특징으로 하는 광학용 구조물 어레이 금형의 제조방법.The method of claim 1, wherein the temperature range of the heat treatment step is 50 ℃ ~ 250 ℃. 제1항에 있어서, 상기 2차 X-선 노광시에 상기 감광재에 축적되는 에너지량을 1kJ/cm3~ 20kJ/cm3의 범위가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 광학용 구조물 어레이 금형의 제조방법.The method of claim 1, wherein the manufacturing method of the optical structure array mold for which the amount of energy accumulated in the photosensitive material at the time of the second X- ray exposure is characterized in that so that the range of 1kJ / cm 3 ~ 20kJ / cm 3 . 제1항에 있어서, 상기 어레이의 형태가 삼각산맥 형태이고, 이 삼각산맥 형태의 어레이에 마이크로 렌즈 구조물이 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 광학용 구조물 어레이 금형의 제조방법.The method of claim 1, wherein the array is in the form of a triangular mountain range, and the microlens structure is formed in the triangular mountain array. 제12항에 있어서, 첫번째 X-선 노광에서 45도의 경사로 경사노광을 두번 시행하고, 현상하고, 2차 노광을 시행하고 열처리를 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학용 구조물 어레이 금형의 제조방법.The method of manufacturing an optical structure array mold according to claim 12, comprising the step of performing two times of inclined exposure at an inclination of 45 degrees in the first X-ray exposure, developing, performing a second exposure and performing a heat treatment. .
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