KR100490873B1 - 초소형 렌즈 어레이 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광 집적용 소자에 사용되는 초소형 렌즈 어레이 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 초소형 렌즈 어레이 제작을 위한 Si 몰드 마스터의 제작과 폴리머 물질과의 분리시 발생하는 점착력(adhesion) 문제를 해결할 수 있는 기술에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 반도체기판 상부에 산화막을 증착하는 단계와; 상기 산화막 상부에 감광막 패턴을 형성하는 단계와; 상기 감광막 패턴을 식각장벽으로 이용하여 산화막 패턴을 형성하는 단계와; 식각 개스를 이용하여 상기 산화막 패턴을 식각장벽으로 등방성 식각 하여 반도체기판 하부에 원하는 패턴 만큼에 해당하는 크기를 갖는 언더컷이 진 렌즈 어레이 마스터를 형성하는 단계와; 상기 반도체기판 상부에 남아있는 산화막 패턴을 제거하는 단계와; 상기 결과물 전표면에 일정 두께의 폴리머를 증착하는 단계와; 상기 반도체기판 상부에 증착된 폴리머를 Si 마스터 구조물과 분리시켜 마이크로 렌즈 어레이의 형상을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징을 하는 초소형 렌즈 어레이 제조방법이 제시된다.

따라서, 본 발명은 기존의 렌즈 어레이 보다 효율적인 마이크로 렌즈 어레이 성능을 얻을 수 있고, Si 초소형 렌즈 어레이 마스터와 폴리머 물질 사이의 디몰딩(demolding)시 발생할 수 있는 점착력(adhesion) 문제를 최소화하여 신뢰성 있는 초소형 렌즈 어레이의 제조가 가능하다.

Description

초소형 렌즈 어레이 제조방법{Method for fabrication micro lens arrays}

본 발명은 광 집적용 소자에 사용되는 초소형 렌즈 어레이 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 초소형 렌즈 어레이 제작을 위한 Si 몰드 마스터의 제작과 폴리머 물질과의 분리시 발생하는 점착력(adhesion) 문제를 해결할 수 있는 기술에 관한 것이다.

도 1a 내지 도 1d는 종래 기술로서 리플로우(reflow) 공정을 이용하여 제작한 마이크로 렌즈 어레이의 제조 공정에 대하여 살펴보기로 한다.

먼저, 반도체기판(100) 상에 일정 두께의 산화막(110)을 증착한 다음 크롬(Cr) 마스크을 이용하여 산화막(110) 패턴을 형성한다.(도 1a 참조)

이어서, 상기 결과물의 전표면에 일정 두께의 감광막(120)를 도포한다.(도 1b 참조)

그 상태에서 노광마스크를 이용한 노광 및 현상 공정을 거쳐 감광막(120)의 소정 부분을 제거하여 실린더형의 감광막(120) 패턴을 형성한다.

이 때, 상기 감광막(120) 패턴의 형상은 리플로우 공정전의 렌즈 원형 상태를 나타낸다.(도 1c참조)

그 후, 전 표면에 폴리머 물질을 코팅한 후 리플로우 공정을 거쳐 반도체기판(100) 상에 마이크로 렌즈 어레이(130)를 제작함으로서 제조 공정이 완료된다.(도 1d참조)

이상에서와 같이 종래에는 기존의 초소형 렌즈 어레이 제작 기술은 광을 집적하기 위해 폴리머를 쌓은 후 렌즈 표면을 형성시켰다. 실리콘(Si)과 같은 반도체 물질처럼 자체적으로 리플로우(reflow)가 불가능한 물질을 이용하는 경우 여기에다 식각 공정을 추가해야 한다.

그리고 나서, Si 기판을 등방성 식각해서 렌즈모양을 만든 후 폴리머를 코팅해서 Si 마스터로부터 폴리머를 분리시켜 렌즈형태의 구조물을 오나성하게 된다.

이러한 기본 구조에서는 제작된 렌즈의 우수한 특징과는 별개로 제작과정이 장시간에 걸쳐 진행되는 등 현실적인 도입에 있어서 어려움을 많았다.

또한, 광응용을 하기 위해 렌즈 어레이의 마스터가 될 실리콘(Si) 표면이 거울면과 같이 매끄러워야 하는데 거친 표면에 의해 광손실을 가져 올 수 있다.

즉, 초소형 렌즈로 제작될 리플로우를 한 폴리머 표면(도 1d 참조)은 표면의 곡면도를 보장하기 어렵고, 이러한 초소형 렌즈 어레이를 제작하기 위해 복잡한 공정을 여러번 거쳐야 하는 문제점이 있다.

특히, 광집적 소자로써 사용되는 초소형 렌즈 어레이를 MEMS기술을 이용해서 제작할 때 직접 폴리머 물질을 리플로우하는 경우에 있어서 여러 가지 공정을 거치는 수고와 일반적인 Si의 습식 식각을 통한 마스터 제작시 표면의 거친 조도와 폴리머 물질과 분리시 분리가 잘 안되는 문제가 발생한다.

따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 본 발명의 목적은 를 이용한 Si의 등방성 식각을 통해 거울면과 같은 조도를 가진 마스터의 제조와 SAM coating을 이용해서 폴리머 구조물과 Si 마스터를 쉽게 분리시킬 수 있도록 하는 초소형 렌즈 어레이 제조방법을 제공하는데 있다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로써 본 발명은

반도체기판 상부에 산화막을 증착하는 단계와;

상기 산화막 상부에 감광막 패턴을 형성하는 단계와;

상기 감광막 패턴을 식각장벽으로 이용하여 산화막 패턴을 형성하는 단계와;

식각 개스를 이용하여 상기 산화막 패턴을 식각장벽으로 등방성 식각 하여 반도체기판 하부에 원하는 패턴 만큼에 해당하는 크기를 갖는 언더컷이 진 렌즈 어레이 마스터를 형성하는 단계와;

상기 반도체기판 상부에 남아있는 산화막 패턴을 제거하는 단계와;

상기 결과물 전표면에 일정 두께의 폴리머를 증착하는 단계와;

상기 반도체기판 상부에 증착된 반도체기판 마스터와 분리하여 마이크로 렌즈 어레이의 형상을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징을 하는 초소형 렌즈 어레이 제조방법이 제시된다.

이하, 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

도 2a 내지 도 2i는 본 발명에 따라 식각개스를 이용하여 제작한 마이크로 렌즈 어레이의 제조공정도이다.

먼저, 반도체기판(200) 상에 절연막으로 실리콘산화막()(210)을 형성한 다음(도 2a 참조) 그 전면에 일정 두께의 감광막(220)을 도포한다.(도 2b 참조)

그 다음, 노광마스크(230)를 이용한 노광 및 현상 공정을 거쳐(도 2c 참조) 감광막(220) 패턴을 형성한 다음 그외의 나머지 부분을 제거한다.(도 2d 참조)

그 후, 상기 감광막(220) 패턴을 식각장벽으로 이용하여 실리콘산화막(210) 패턴을 형성한 다음 감광막(220) 패턴을 제거한다.(도 2e 참조)

이어서 식각개스를 이용하여 실리콘산화막(210) 패턴을 식각장벽으로 등방성 식각 공정을 진행함으로서 반도체기판(200) 하부의 소정 부분에 언더컷(under cut) 형상을 형성한다.이 때, 상기 식각개스는 식각속도가 수 ㎛/분의 빠른 속도의 식각이 가능하고 기상 반응이므로 액상식각에서 야기되는 미세 구조물의 점착 등을 방지할 수 있다. 또한 상온에서의 빠른 식각속도 때문에 플라즈마 등의 부가적인 에너지의 인가가 필요치 않다.따라서, 이러한 특성의 식각개스를 이용한 언더컷 형상 형성은 반도체 기판의 두께 만큼 등방석 식각대 이방석 식각의 비율이 1:1을 이루며 식각되므로 원하는 패턴 만큼에 해당하는 크기를 갖는 언더컷이 진 렌즈 마스터를 제작할 수 있다.이는 후속 공정의 반도체기판 마스터 구조에 SAM 코팅공정을 통해 마스터 표면의 계면 특성을 변화시켜 렌즈로 이용될 폴리머 물질을 용이하게 분리시킬 수 있다.(도 2f 참조).

그 다음, 상기 반도체기판(200) 상부에 형성되어 있는 실리콘산화막(210) 패턴을 제거함으로서 반도체기판 마스터(215) 구조가 형성된다.(도 2g 참조)

이어서, 상기 결과물 전표면에 SAM 코팅 공정을 이용하여 일정 두께의 폴리머(240) 물질을 증착한다. 이때, 폴리머(240) 대신에 유리질 물질을 사용하여도 무방하다.(도 2h 참조)

그 후, 상기 폴리머(240) 물질을 반도체기판 마스터(215)와 분리시킴으로서 최종적인 마이크로 렌즈 어레이(250)의 형상이 완료된다.(도 2i 참조)

상기에서와 같이, 도 2a 내지 도 2i에서 제시한 새로운 초소형 마이크로 렌즈 어레이 제작 방법은 먼저 최종적인 렌즈 어레이를 연속적으로 생산해내기 위해 반도체기판(Si)을 이용해서 렌즈 마스터를 제작하는 것이다.

이 때, 초소형 렌즈로써 사용되기 위해 표면이 거울면과 같이 매끈해야 하며 그것을 가능하게 해주는 식각공정을 통해 그러한 면을 형성할 수 있다.

또한, 계속적인 렌즈 어레이의 생산을 위해 SAM(self-assembled monolayer)를 Si 렌즈 마스터에 코팅하여 렌즈 어레이의 제작의 성능을 향상시킬 수 있다. 특히, 미세구조물의 점착 현상을 방지하기 위해 적용된 SAM 코팅을 폴리머의 리플리케이션(replication)에 적용시킬 수 있다.

이어서, 실리콘(Si) 마스터와 폴리머 물질과의 분리를 위한 SAM 코팅을 이용한 제조 공정을 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 살펴보기로 한다.

먼저, 도 2a 내지 도 2f에서와 같은 상기 과정을 거쳐 제작된 반도체기판(300)의 하부에 등방성 식각공정을 이용하여 원하는 패턴 만큼에 해당하는 크기를 갖는 언더컷을 형성한 후, 등방성 식각된 반도체기판(300)의 표면에 SAM(Self-Assembled Monolayer) 코팅을 실시하여 반도체기판 마스터(310)를 형성한다.

이 때, 상기 SAM 코팅은 반도체기판 마스터(310)와 후속 공정의 폴리머 물질과의 용이한 분리를 위해 실시한다.(도 3a 참조)

그 상태에서, 렌즈 어레이로 사용될 폴리머(320) 물질을 상기 결과물 전표면에 도포한 후(도 3b 참조) 상기 폴리머(320) 물질을 반도체기판 마스터(310)와 분리시킴으로서 최종적인 마이크로 렌즈 어레이(330)의 형상이 완료된다. 물론, 폴리머(320) 대신에 유리질 물질을 사용하여도 무방하다.

이 때, 일종의 프레스 성형 기법을 이용하여 반도체기판 마스터(310)와 마이크로 렌즈 어레이(330)를 분리시키게 된다.(도 3c 참조)

이상에서와 같이 본 발명에 의한 초소형 렌즈 어레이 제조방법에 따르면 다음과 같은 이점이 있다.

첫째, 식각개스를 이용하면 거울면과 같은 조도를 가진 Si 초소형 렌즈 어레이 구조를 제작하는 것이 가능하다.

둘째, 기존의 렌즈 어레이 보다 효율적인 마이크로 렌즈 어레이 성능을 얻을 수 있고, Si 초소형 렌즈 어레이 마스터와 폴리머 물질 사이의 디몰딩(demolding)시 발생할 수 있는 점착력(adhesion) 문제를 최소화하여 신뢰성 있는 초소형 렌즈 어레이의 제조가 가능하다.

셋째, SAM 코팅이 폴리머의 리플리케이션(replication)의 성능 향상을 얻을 수 있는 간단한 공정 방법으로써 생산 기술의 획기적 발전으로 인해 대량으로 미소 부품의 생산이 가능하다.

도 1a 내지 도 1d는 종래 기술로서 리플로우(reflow) 공정을 이용하여 제작한 마이크로 렌즈 어레이의 제조공정도

도 2a 내지 도 2i는 본 발명에 따라 를 이용하여 제작한 마이크로 렌즈 어레이의 제조공정도

도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따라 실리콘(Si) 마스터와 폴리머 물질과의 분리를 위한 SAM 코팅을 이용한 제조공정도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

200 : 반도체기판 210 : 실리콘산화막

220 : 감광막 230 : 노광마스크

240 : 폴리머 250 : 마이크로 렌즈 어레이

300 : 반도체기판 310 : 반도체기판 마스터

320 : 폴리머 330 : 마이크로 렌즈 어레이

Claims (3)

1. 반도체기판 상부에 산화막을 증착하는 단계와;

   상기 산화막 상부에 감광막 패턴을 형성하는 단계와;

   상기 감광막 패턴을 식각장벽으로 이용하여 산화막 패턴을 형성하는 단계와;

   식각 개스를 이용하여 상기 산화막 패턴을 식각장벽으로 등방성 식각 하여 반도체기판 하부에 원하는 패턴 만큼에 해당하는 크기를 갖는 언더컷이 진 렌즈 어레이 마스터를 형성하는 단계와;

   상기 반도체기판 상부에 남아있는 산화막 패턴을 제거하는 단계와;

   상기 결과물 전표면에 일정 두께의 폴리머를 증착하는 단계와;

   상기 반도체기판 상부에 증착된 폴리머를 반도체기판 마스터와 분리시켜 마이크로 렌즈 어레이의 형상을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징을 하는 초소형 렌즈 어레이 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 폴리머를 대체하여 유리질 물질이 증착되는 것을 특징으로 하는 초소형 렌즈 어레이 제조방법.
3. 반도체기판 상부에 산화막을 증착하는 단계와;

   상기 산화막 상부에 감광막 패턴을 형성하는 단계와;

   상기 감광막 패턴을 식각장벽으로 이용하여 산화막 패턴을 형성하는 단계와;

   식각 개스를 이용하여 상기 산화막 패턴을 식각장벽으로 등방성 식각 하여 반도체기판 하부에 원하는 패턴 만큼에 해당하는 크기를 갖는 언더 컷을 형성하는 단계와;

   상기 식각된 반도체기판의 하부 표면에 SAM 코팅을 실시하여 반도체기판 마스터를 형성하는 단계와;

   상기 결과물 전표면에 폴리머를 증착한 후, 증착된 폴리머를 반도체기판 마스터와 분리시켜 마이크로 렌즈 어레이의 형상을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징을 하는 초소형 렌즈 어레이 제조방법.