KR100537995B1 - 그레이팅이 형성된 마이크로 렌즈 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 그레이팅이 형성된 마이크로 렌즈 제조 방법에 관한 것으로, 빛이 통과하지 못하는 형성된 차단영역의 형태가 원형인 제1 마스크를 포토 레지스트가 코팅된 기판 상에 정렬시켜 노광/현상하여 원기둥 형태를 가진 포토 레지스트를 얻고, 이에 대해 리플로우 공정을 수행하여 상기 포토 레지스트를 구면 렌즈 형태로 만들며, 상기 구면 렌즈 형태가 음각된 제1 스탬퍼를 제작한다. 그리고, 제1 스탬퍼를 이용하여 상기 구면 렌즈 형태가 양각된 제2 스탬퍼를 제작하고, 상기 제2 스탬퍼 상에 금속을 코팅한 후 그 위에 포토 레지스터를 코팅하며, 상기 제1 마스크에 형성된 상기 차단영역의 크기 보다 작은 차단 영역을 가지며 상기 차단 영역이 그레이팅 형태를 가지는 제2 마스크를 포토 레지스트가 코팅된 제2 스탬퍼 상에 정렬시켜 노광한다. 그런 다음 상기 노광으로 상기 제2 스탬퍼의 구면 렌즈 상에 형성된 포토 레지스트를 현상하고 상기 박막을 에칭처리하여 상기 구면 렌즈 상에 그레이팅 형상을 만든다.

Description

그레이팅이 형성된 마이크로 렌즈 제조 방법{Method for manufacturing a micro lens of grating pattern}

본 발명은 마이크로 렌즈에 관한 것으로, 특히, 마이크로 렌즈 상에 그레이팅이 형성된 마이크로 렌즈의 제조하는 방법에 관한 것이다.

도 1은 종래의 마이크로 렌즈 어레이를 보인 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이 종래의 마이크로 렌즈 어레이는 도 1에 도시된 바와 같이 반구면 형태의 마이크로 렌즈를 특정 패턴으로 배치된 형태로 이루어진다. 이러한 상기 마이크로 렌즈 어레이는 프로젝션 TV, 도광판 등에 주로 사용되며, 광 경로를 집광 또는 분산시키고자 할 때 사용된다.

그런데 종래의 마이크로 렌즈 어레이를 이루는 마이크로 렌즈는 제조시 곡률에 대한 제한이 많아 다양한 광학적 특성을 가진 마이크로 렌즈의 제조가 어려운 문제가 있다.

본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 마이크로 단위의 마이크로 렌즈 상에 그레이팅 형상을 형성시키는 그레이팅이 형성된 마이크로 렌즈 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 빛이 통과하지 못하는 형성된 차단영역의 형태가 원형인 제1 마스크를 포토 레지스트가 코팅된 기판 상에 정렬시켜 노광하는 제1 단계; 상기 노광된 기판을 현상하여 원기둥 형태를 가진 포토 레지스트를 얻는 제2 단계; 상기 현상된 기판에 대해 리플로우 공정을 수행하여 상기 포토 레지스트를 구면 렌즈 형태로 만드는 제3 단계; 상기 구면 렌즈 형태가 음각된 제1 스탬퍼를 제작하는 제4 단계; 상기 제1 스탬퍼를 이용하여 상기 구면 렌즈 형태가 양각된 제2 스탬퍼를 제작하는 제5 단계; 상기 제2 스탬퍼 상에 금속을 코팅하고 그 위에 포토 레지스터를 코팅하는 제6 단계; 상기 제1 마스크에 형성된 상기 차단영역의 크기 보다 작은 차단 영역을 가지며 상기 차단 영역이 그레이팅 형태를 가지는 제2 마스크를 포토 레지스트가 코팅된 제2 스탬퍼 상에 정렬시켜 노광하는 제7 단계; 상기 노광으로 상기 제2 스탬퍼의 구면 렌즈 상에 형성된 포토 레지스트를 현상하고 상기 박막을 에칭처리하여 상기 구면 렌즈 상에 그레이팅 형상을 만드는 제8 단계를 포함하는 그레이팅이 형성된 마이크로 렌즈 제조 방법을 제공한다.

이하, 첨부한 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 기술은 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 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 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명은 1차적으로 마이크로 단위의 구면 렌즈를 형성한 후 2 차적으로 구면 렌즈 상에 그레이팅을 형성하는 것이다.

우선, 1차적으로 마이크로 단위의 구면 렌즈를 제조하는 공정을 설명한다.

먼저 구면 렌즈의 밑변 넓이를 고려하여 도 2에 도시된 바와 같이 마스크(21)를 제조를 한다. 구면 렌즈의 넓이와 높이는 밑변의 넓이와 코팅이 되는 감광제의 높이와 관련이 되어 있다.

마스크 제작시 본 발명은 하나의 마이크로 렌즈에 대한 마스크를 제작할 수 있으나, 일반적으로 마이크로 렌즈가 어레이 형태로 사용되고 있으므로 마스크 제작시 마이크로 렌즈 어레이 형태로 제작한다. 당업자라면 이하에서 설명하는 본 발명의 마이크로 렌즈 어레이 제조 공정을 통해 본 발명의 마이크로 렌즈를 용이하게 제조할 수 있음은 자명하므로, 단일 마이크로 렌즈에 대한 제조 방법은 설명하지 않는다.

도 2를 보면 마스크(21)는 빛이 통과하는 부분(22)과 빛이 통과하지 못하는 부분(23)으로 나누어지는데, 빛이 통과하지 못하는 부분(23) 각각은 어레이 형태를 가지도록 특정 패턴으로 배열되어 있으며, 원의 형태를 가진다.

여기서, 상기 마스크는 패턴의 정밀도에 따라 필름 마스크나 크롬 마스크 등이 결정된다. 크롬 마스크를 사용하면 1 ㎛ 정도의 정밀도로 제작이 가능하다.

한편, 도 3a와 같이 스핀 코터(Spin Coater) 장비를 이용하여 유리 또는 실리콘 웨이퍼 기판(31) 상에 감광제인 PR(Photoresist; 32)을 코팅한다. 이때 사용되는 PR(32)의 종류는 두께에 따라 다양하게 정할 수 있는데, 두꺼운(Thick) PR인 AZ 계열의 9260을 사용하면 코딩된 PR의 두께는 10㎛가 된다.

코팅이 끝나면 오븐기에 넣고 코팅된 기판(31)을 소프트 베이킹(Soft baking)을 한다. 이때 베이킹 조건은 온도 95℃에 시간은 30분이다.

소프트 베이킹이 끝나면, 도 3b에 도시된 바와 같이 마스크(21)를 PR 코팅된 기판(31) 상에 얼라인(align) 키(key)에 맞춰서 얼라인시키고, 정해진 시간으로 노광공정을 실시한다.

노광공정이 끝나면 현상 작업을 한다. 이때 현상액 종류는 AZ 계열의 400K이고, 현상 조건은 현상액 온도 23℃에 6분 동안 디핑(Dipping)하는 방식을 취한다. 현상을 하면, 도 3c에 도시된 바와 같이 마스크(21)를 통과한 빛을 쬔 PR 부분은 용해되고 빛을 받지 않은 부분은 그대로 남는다. 결국 기판(31)에 남는 것은 빛을 받지 않은 부분의 PR(34)이며, 마스크(21)에 형성된 빛을 통과시키지 않은 부분의 형태가 원의 형태이므로 PR(34)은 원기둥의 형상이 된다.

현상 작업을 마치면, 핫(Hot) 플레이트(Plate) 장비를 이용하여 리플로우(Refolw) 공정을 수행한다. 리플로우 공정에 의해 원기둥의 PR(34)은 도 3d에 도시된 바와 같이 만곡되어 구면 렌즈 형태(35)가 된다. 결국 기판(31)은 다수의 구면 렌즈 형상의 PR(34)이 어레이된 형태를 가지게 된다. 상기에서 리플로우 공정은 PR(34)에 열을 가하여 상기 감광제(즉, PR)가 열을 받아서 녹아 내리게 하는 공정이다. 이때 리플로우 조건은 제조 형상에 따라 달라지는데, 온도 100~200℃ 사이에 수분 동안 실시한다.

상기 리플로우 공정 후의 기판(31)을 수직으로 자른 기판의 수직 단면도가 도 4a에 도시되어 있다. 도 4a를 보면, 전술한 바와 같이 PR(34)은 리플로우 공정에 의해 그 단면이 구면렌즈 형태(35)로 되었음을 알 수 있다.

리플로우 공정을 통해 PR을 구면 렌즈(즉, 마이크로 렌즈)의 형태로 만들면, 도 4a에 도시된 바와 같이 기판(31) 상에 금속 박막(41)을 코팅한다. 이때 상기 금속 박막(41) 코팅은 보통 크롬(Cr) 코팅을 많이 하며, 금(Au)을 추가로 코팅하기도 한다.

상기 금속 박막 코팅이 끝나면, 기판(31)을 도금장비에 장착하고 도 4b에 도시된 바와 같이 니켈 전기 도금을 실시한다. 이때 공급되는 전류는 각 스텝에 따라 수 암페어를 흘리며 이에 따른 도금두께는 400~450㎛가 되고(4인치 웨이퍼 기준),니켈 도금된 부분이 스탬퍼(stamper; 42)가 된다.

상기 니켈 전기 도금이 끝나면, 기판(31)과 스탬퍼(42)를 분리시킨다. 이때 분리된 스탬퍼(42)는 도 4c와 같은 형태를 가지게 된다. 도 4c에 도시된 바와 같이 기판(31)에서 스탬퍼(42)를 분리하면, 스탬퍼(42)에는 구면 렌즈 어레이 형태가 음각으로 형성된 형태(44)를 가진다. 즉, 스탬퍼(42)에는 구면 렌즈 형태의 어레이 패턴이 음각으로 새겨져 있다.

상기와 같이 구면 렌즈 형태의 어레이가 음각된 스탬퍼(42)에 새로운 니켈 도금을 한 후 새로운 니켈 도금 부분을 스탬퍼(42)하면, 분리된 새로운 니켈 도금 부분은 도 5에 도시된 바와 같이 스탬퍼(42)의 음각 패턴에 대응하여 양각의 구면 렌즈 형태(52)의 어레이를 가지는 스탬퍼(51)가 된다.

결국 상기 구면 렌즈 형태의 어레이가 음각된 스탬퍼(42)를 금형으로 하고 투명한 플라스틱 재료를 상기 스탬퍼(42)를 통해 사출하면 스탬퍼(51)와 동일한 형태를 가지는 투명 플라스틱의 마이크로 렌즈 어레이가 제조된다. 이와 같이 투명 플라스틱의 마이크로 렌즈 어레이가 제조되면 마이크로 렌즈 어레이를 이루는 마이크로 렌즈 상에 그레이팅을 형성한다.

여기서 그레이팅(grating)을 형성하는 방법은 렌즈 구조에 빛이 통과하는 부분과 통과하지 않는 부분을 형성하는 것이다. 따라서 빛이 통과하지 않는 부분을 형성하기 위해 금속 그레이팅을 형성시킨다.

이하에서는 상기 스탬퍼(42)를 금형으로 하여 사출한 투명 플라스틱 마이크로 렌즈에 반도체 공정을 이용하여 금속 그레이팅을 만드는 공정을 설명한다. 상기 투명 플라스틱의 마이크로 렌즈 에레이는 상기 스탬퍼(51)에 해당하므로 동일한 도면 부호를 적용한다.

상기와 같이 투명 플라스틱의 마이크로 렌즈 어레이(51)가 제작되면, 도 6a에 도시된 바와 같은 마이크로 렌즈 어레이(51)의 플라스틱 판(53)에 도 6b에 도시된 바와 같이 금속(63)을 코팅한다.

그런 다음 마스크 노광 작업을 하기 위해서 도 6c에 도시된 바와 같이 코팅된 금속(63) 상에 감광제인 PR(64)를 코팅한다. 그리고 그레이팅 패턴 형성을 위해 제작된 그레이팅용 마스크를 상기 스탬퍼(51) 상에 정렬시킨 후 노광하고 현상하여 도 6d와 같이 구면 렌즈 상에 노광/현상에 의한 원형 기둥의 PR(65)을 형성시킨다. 여기서 상기 그레이팅용 마스크는 크롬 마스크인 것이 양호하다.

이후, 형성된 원형 기둥의 PR(65)에 따라 코팅된 금속(63)을 에칭한 후 남아 있는 감광제인 PR을 벗겨 내어 도 6e와 같이 금속(63)에 의한 그레이팅(66)을 형성한다. 이와 같이 제조된 그레이팅이 형성된 마이크로 렌즈 어레이의 일 예가 도 7에 도시되어 있다. 도 7을 보면 구면 렌즈(71) 상에 동심원 패턴(72)의 그레이팅이 형성되어 있다.

한편, 전술한 공정을 수행하는 중에 금속 대신에 굴절율이 다른 물질을 코팅하면 간섭 효과에 의해 그레이팅 효과가 있는 마이크로 렌즈 어레이를 제조할 수 있다. 즉, 마이크로 렌즈 어레이에 SiO2 등 산화물 박막이나 Si3N4와 같은 질화물 박막으로서 투명한 특징을 가지고 있는 박막을 코팅을 하고 그레이팅 구조와 같이 에칭을 하면 굴절률이 다른 특성의 그레이팅이 형성된다. 보통 산화물 박막 등의 굴절렬은 2~3 사이가 많으며 PMMA 와 같은 플라스틱의 굴절률은 4 가 넘으므로 두 개의 재료의 굴절률 차이에 의한 간섭으로 그레이팅 효과가 나타난다.

또 다른 방법으로서는 스탬퍼에 마이크로 렌즈 어레이 형상에 돌출부를 만들어서 사출을 함으로서 도 8과 같이 플라스틱 마이크로 렌즈 어레이(81)에 요철 구조의 돌출부(82)가 있는 렌즈 구조를 만들 수 있다. 이와 같이 요철 구조의 돌출부(82)가 있는 렌즈 구조를 마이크로 렌즈 상에 형성하게 되면 마이크로 렌즈와 돌출부에 의한 광 경로의 길이 차이가 생기게 되어 빛의 특성인 간섭 효과가 나타나는 그레이팅 특성을 만들 수 있다. 이러한 렌즈의 구조에 있어서 1차 렌즈의 크기는 약 30~200 micrometer 정도가 되며 그레이팅의 크기는 각각 수 micrometer 정도의 크기이다.

상기 도 8에 도시된 요철 형상(81)의 그레이팅 렌즈 구조는 도광판에 응용을 될 수 있다. 도광판은 LCD 백라이트에 사용이 되는 부품으로서 이러한 그레이팅 렌즈 구조를 응용을 함으로서 빛의 경로를 조절할 수 있다.

이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

상술한 설명에 따르면 본 발명은 본 발명은 반도체 공정을 이용하여 제조함으로써 정밀성을 향상시켜 마이크로 단위의 렌즈를 만들 수 있는 효과가 있다. 또한 본 발명은 제조 공정이 간단하여 제조 원가를 줄일 수 있는 효과가 있다. 또한 본 발명은 다양한 형태를 가진 다중층 마이크로 렌즈 및 마이크로 렌즈 어레이를 제공하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 마이크로 렌즈 어레이를 보인 사시도.

도 2는 본 발명에 사용되는 마스크의 사시도.

도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 기판 상에 구면 렌즈 형상을 형성하는 공정을 보인 공정도.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 구면 렌즈 형상을 가진 스탬퍼를 제작하는 공정을 보인 공정도.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 구면 렌즈 형상이 양각된 스탬퍼의 사시도.

도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 실시예에 따른 스탬퍼의 구면 렌즈 상에 그레이팅을 형성하는 공정을 보인 공정도.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 구면 렌즈 상에 동심원의 그레이팅이 형성된 마이크로 렌즈 어레이의 사시도.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 구면 렌즈 상에 그레이팅이 요철된 마이크로 렌즈 어레이의 사시도.

Claims (9)

1. 빛이 통과하지 못하는 형성된 차단영역의 형태가 원형인 제1 마스크를 포토 레지스트가 코팅된 기판 상에 정렬시켜 노광하는 제1 단계;

   상기 노광된 기판을 현상하여 원기둥 형태를 가진 포토 레지스트를 얻는 제2 단계;

   상기 현상된 기판에 대해 리플로우 공정을 수행하여 상기 포토 레지스트를 구면 렌즈 형태로 만드는 제3 단계;

   상기 구면 렌즈 형태가 음각된 제1 스탬퍼를 제작하는 제4 단계;

   상기 제1 스탬퍼를 금형으로 이용하여 상기 구면 렌즈 형태가 양각된 투명 플라스틱 재질의 제2 스탬퍼를 제작하는 제5 단계;

   상기 제2 스탬퍼 상에 그레이팅용 물질을 코팅하고 그 위에 포토 레지스터를 코팅하는 제6 단계;

   상기 제1 마스크에 형성된 상기 차단영역의 크기보다 작은 차단 영역을 가지며 상기 차단 영역이 그레이팅 형태를 가지는 제2 마스크를 포토 레지스트가 코팅된 제2 스탬퍼 상에 정렬시켜 노광하는 제7 단계;

   상기 노광으로 상기 제2 스탬퍼의 구면 렌즈 상에 형성된 포토 레지스트를 현상하고 상기 박막을 에칭처리하여 상기 구면 렌즈 상에 그레이팅 형상을 만드는 제8 단계를 포함하는 그레이팅이 형성된 마이크로 렌즈 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 마스크는 필름 마스크 또는 크롬 마스크인 것을 특징으로 하는 그레이팅이 형성된 마이크로 렌즈 제조 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제2 마스크는 크롬 마스크인 것을 특징으로 하는 그레이팅이 형성된 마이크로 렌즈 제조 방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 그레이팅용 재료는 금속인 것을 특징으로 하는 그레이팅이 형성된 마이크로 렌즈 제조 방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 그레이팅용 재료는 산화물인 것을 특징으로 하는 그레이팅이 형성된 마이크로 렌즈 제조 방법.
6. 제1항에 있어서,

   상기 그레이팅용 형태는 요철 형태인 것을 특징으로 하는 그레이팅이 형성된 마이크로 렌즈 제조 방법.
7. 제1항에 있어서,

   상기 제4 단계는 금속 박막을 코팅하는 단계와, 상기 금속 박막 상에 니켈 전기 도금을 수행하고 상기 니켈 전기 도금한 부분만을 떼어내는 단계 및, 상기 니켈 전기 도금한 부분을 상기 스탬퍼로 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그레이팅이 형성된 마이크로 렌즈 제조 방법.
8. 제7항에 있어서,

   상기 금속 박막 코팅은 크롬 코팅인 것을 특징으로 하는 그레이팅이 형성된 마이크로 렌즈 제조 방법.
9. 제8항에 있어서,

   상기 금속 박막 코팅은 상기 크롬을 코팅한 후 금을 추가로 코팅하는 것으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 그레이팅이 형성된 마이크로 렌즈 제조 방법.